Конструкция и ремонт источников бесперебойного...

http://www.mirpu.ru/ups/84-shemups/117-charge-ups1.html

Зарядные устройства источников бесперебойного питания. Часть I.
Источники бесперебойного пиания (UPS) - Схемотехника



Самой главной функцией, выполняемой источником бесперебойного питания, является функция обеспечения электроэнергией подключенной к нему нагрузки в момент пропадания сетевого питающего напряжения. Как известно, для этих целей в состав любого UPS входит аккумуляторная батарея и инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного тока аккумулятора в переменный ток, требующийся для питания нагрузки. Эти компоненты, безусловно, являются важнейшими в составе любого UPS, но и еще без одного элемента невозможно представить себе ни один источник бесперебойного питания. Это – зарядное устройство, на которое, кстати сказать, приходится достаточно высокий процент от всех отказов UPS.

Основной функцией зарядного устройства, входящего в состав UPS, является обеспечение зарядки аккумуляторной батареи и дальнейшее поддержание этого заряда на соответствующем уровне. Функционирование зарядного устройства, т.е. подзарядка аккумулятора осуществляется в те периоды времени, когда на входе UPS имеется сетевое питающее напряжение. Конечно же, схемотехника и основные характеристики зарядного устройства определяется целым рядом параметров:

- типом (классом, топологией) источника бесперебойного питания (интерактивный, резервный, феррорезонансный, On-Line и т.п.);

- выходной мощностью UPS;

- количеством аккумуляторных батарей в составе UPS;

- типом используемых аккумуляторных батарей;

- ценой UPS;

- предпочтениями разработчиков.

Именно многообразие факторов, влияющих на выбор топологии зарядного устройства, привело к тому, что в современных источниках бесперебойного питания мы встретим несколько, совершенно различных, вариантов схемотехники зарядных устройств.

Попытка классифицировать зарядные устройства привела к тому, что мы предлагаем выделить следующие базовые варианты схемотехники зарядных устройств:

- линейные регуляторы напряжения и тока;

- импульсные DC-DC-преобразователи напряжения;

- импульсные однотактные источники напряжения;

- двухтактная мостовая выпрямительная схема, совмещенная с инвертором.

Мы не претендуем на полноту предложенной классификации, но дальнейший наш обзор призван показать на реальных примерах, что выделенные нами варианты схемотехники используются в подавляющем большинстве современных источников бесперебойного питания.

Прежде чем переходить к обзору схемотехнических особенностей различных вариантов зарядных устройств, скажем о том, что величина зарядного напряжения аккумуляторных батарей, т.е. величина выходного напряжения зарядного устройства зависит, в первую очередь, от количества аккумуляторов в составе UPS. Эта зависимость отражена в табл.1.

Таблица 1. Зависимость величины зарядного напряжения от количества батарей

Количество батарей


Выходное напряжение зарядного устройства

1


от 13.2В до 14В

2


от 26.7В до 28.5В

4


от 53.4В до 57.0В

Работоспособность зарядного устройства и правильность формирования им напряжения, заряжающего аккумуляторы, можно проверить следующим образом:

1. Подключить UPS к сети переменного тока с номинальным значением напряжения (230В).

2. Открыть крышку, закрывающую аккумуляторные батареи и обеспечить свободный доступ к клеммам на батареях, к которым подключены провода (красный провод и черный провод) от основной платы. Подобную процедуру очень легко проделать в устройствах APC Smart-UPS. В других моделях APC и в UPS других производителей придется подумать, как обеспечить доступ к клеммам аккумуляторной батареи.

3. Включить UPS и дождаться окончания процедуры самотестирования UPS, которая может занять 8-15 секунд. После окончания самотестирования, UPS переходит в режим работы от сети (On-Line) о чем обычно сообщает соответствующий индикатор (чаще всего, зеленого цвета).

4. Отсоединить от аккумуляторных батарей черный провод затем красный провод.

5. Измерите напряжение постоянного тока между черным и красным проводом.

6. Измеренное напряжение и является зарядным напряжением аккумуляторной батареи, формируемым зарядным устройством. Значение этого напряжения зависит о модели UPS и от количества аккумуляторных батарей, используемых в этой модели. Типовые значения этого напряжения представлены в табл.1. Но здесь нужно иметь в виду, что некоторые дешевые и примитивные модели источников бесперебойного питания могут выключаться при отсоединении аккумуляторной батареи.

7. Если измеренное напряжение не находится в заданном диапазоне, то это говорит о неисправности основной платы UPS, и в частности – о неисправности схемы заряда аккумуляторов.

Кроме количества аккумуляторов, на величину зарядного напряжения и зарядного тока могут влиять еще и такие факторы, как:

- окружающая температура;

- метод заряда аккумулятора.

Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2.2 В. Среди всех типов аккумуляторов, свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.

Для алгоритма заряда свинцово-кислотных батарей более критичным является ограничение напряжения, чем ограничение тока заряда. Время заряда герметичных свинцово-кислотных батарей составляет 12 – 16 часов. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч и менее. Но в большинстве моделей UPS на такие усложнения не идут, предпочитая использовать более простые схемы заряда аккумуляторов.

По своему назначению, свинцово-кислотные батареи, как, впрочем, и другие типы аккумуляторов (например, никель-кадмиевые), можно разделить на две большие группы:

1) Батареи циклического применения, т.е. батареи, используемые как основной источник питания и для которых характерны повторяющиеся циклы заряд/разряд.

2) Батареи, работающие в буферном режиме, используемые в резервных источниках питания.

Соответственно этому делению различаются и возможные методы заряда аккумуляторов. Для батарей циклического применения используются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда. Для буферных батарей используется метод двухступенчатого заряда:

- во-первых, метод заряда при постоянном напряжении заряда;

- во-вторых, метод компенсирующего заряда (струйная или капельная подзарядка).

Для заряда буферных батарей возможно использование в качестве самостоятельных, методов, входящих в состав двухступечатого заряда, т.е. они могут заряжаться, как постоянным напряжением, так и методом компенсирующего заряда.

Для лучшего понимания схем зарядных устройств, разберем основные методы заряда свинцово-кислотных батарей, используемые в источниках бесперебойного питания.


Метод заряда при постоянном напряжении заряда

При таком методе заряда к выводам батареи прикладывается постоянное напряжение из расчета 2.45 В на элемент при температуре воздуха 20 – 25 °С, т.е. к батарее с 6-ю элементами (12-вольтовые аккумуляторы) в этом случае должно прикладываться напряжение 14.7В. Но это в теории, на практике же все обстоит несколько иначе. Величина этого напряжения может незначительно отличаться для различных типов батарей от разных производителей. В технической документации на аккумуляторные батареи четко указывают значение напряжения заряда и информацию по его поправкам для тех случаев, когда температура окружающей среды отличается от нормальной (25°С). Необходимо отметить, что в реальных устройствах это напряжение тоже может незначительно отличаться, в зависимости от того, какой режим заряда батареи решил использовать производитель UPS. В сервисной документации на UPS должна быть представлена информация о величине зарядного напряжения для каждой конкретной модели источника бесперебойного питания. Подобные данные для UPS такого производителя, как APC представлены в табл.2. А вот что же должно быть в источниках других моделей и других брендов, к сожалению, можно выяснить лишь опытным путем, работая с абсолютно исправными устройствами.

Таблица 2. Величина зарядного напряжения некоторых моделей ИБП компании APC

Модель UPS фирмы APC


Выходное напряжение зарядного устройства

Back-UPS 250EC/250 EI


13.8 (±0.5) VDC

Back-UPS 400 EC/EI/MI


13.8 (±0.5) VDC

Back-UPS 600 EC


13.8 (±0.5) VDC

Back-UPS 200


от 13.75 до 13.8 VDC

Back-UPS 250 (BK250)


13.76 (±0.2) VDC

Back-UPS 360/450/520


от 13.75 до 13.8 VDC

Back-UPS 400/450 (BK400/450)


13.76 (±0.2) VDC

Back-UPS 600 (BK600)


13.76 (±0.2) VDC

Back-UPS 900/1250 (BK900/1250)


27.60 (±0.2) VDC

Back-UPS AVR 500I / 500IACH


13.6 (±3%) VDC

Back-UPS PRO 280/300J/420


13.6 (±3%) VDC

Back-UPS PRO 500J/650


13.6 (±3%) VDC

Back-UPS PRO 1000


от 26.7 до 28.5 VDC

Back-UPS PRO 1400


13.6 (±3%) VDC

Smart-UPS 450/700


от 26.7 до 28.5 VDC

Smart-UPS 1000/1400


от 26.7 до 28.5 VDC

Smart-UPS 2200 RM/RMI/RM3U/RM3UI


от 53.4 до 57.0 VDC

Smart-UPS 3300 RM/RMI/RM3U/RM3UI


от 53.4 до 57.0 VDC

Smart-UPS 250 (1G и 2G)


от 20.4 до 21.2 VDC

Smart-UPS 370/400 (1G и 2G)


от 27.05 до 27.9 VDC

Smart-UPS 600 (1G и 2G)


27.60 (±0.2) VDC

Smart-UPS 900/1250 (1G и 2G)


27.60 (±0.2) VDC

Smart-UPS 2000 (1G и 2G)


55.1 (±0.55) VDC

Smart-UPS RM 700/1000/1400


27.60 (±0.27) VDC

Matrix - UPS


55.3 (±0.5) VDC



Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль за постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы – сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.

На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой. Ранее в отечественной литературе при заряде негерметичных свинцово-кислотных батарей считалось нормой производить их заряд начальным током, равным 0.1С в течение 8 – 12 часов при напряжении заряда из расчета 2.4 В на элемент батареи.

На рис.1 в качестве примера показаны характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.



Рис.1 Характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей

При заряде постоянным напряжением, зарядное устройство должно иметь таймер для отключения батареи по окончании заряда или другое устройство, обеспечивающее контроль времени или степени заряда батареи и выдающее сигнал отключения управляющему устройству. Эту функцию в современных источниках бесперебойного питания выполняет микропроцессор, который осуществляет контроль заряда батареи. Ограничение времени заряда позволяет избежать как ее недостаточного заряда, так и перезаряда. Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.

Нельзя заряжать полностью заряженную батарею — перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.


Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда

Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда, как и следует из его названия, происходит в два этапа:

- сначала заряд при более высоком напряжении заряда;

- а затем заряд при более низком напряжении заряда (струйный или компенсирующий заряд).

Работу зарядного устройства поясняет график характеристики заряда (рис.2). Заряд начинается с подачи на батарею повышенного напряжения заряда. При этом ток начала заряда выбирают, как правило, равным 0.15С, а время первого этапа заряда – около 10 ч. По мере заряда батареи ток заряда уменьшается, и, когда его значение достигнет определенной величины, зарядное устройство перейдет в режим струйной подзарядки малым током (обычно 0.05С).

Рис.2 Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда

При двухступенчатом заряде начальный ток первого этапа не должен превышать значения 0.4С, а ток струйной подзарядки – 0.15С. Типовые значения напряжений заряда при различных температурах окружающей среды для 12-вольтового аккумулятора приведены в табл.3.

Таблица 3. Напряжения заряда при двухступенчатом заряде

Этап заряда


Типовое значение напряжения заряда, В

0°С


25°С


40°С

Основной


15.4


14.7


14.2

Компенсирующий


14.1


13.7


13.4

Важным преимуществом данного метода является сокращенное время заряда батареи при переходе из рабочего режима в дежурный, до состояния струйной (компенсационной) подзарядки при малой величине тока заряда.


Метод компенсирующего заряда

Метод компенсирующего заряда, который называют также методом струйной подзарядки, обычно применяют на заключительной стадии процесса заряда. Однако применяют его и как самостоятельный метод заряда при заряде свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в дежурном режиме, т.е. в качестве резервного источника питания. В таком источнике в случае сбоя основного источника в работу вступает аккумуляторная батарея. Если ее разряд был непродолжительным, и емкость снизилась незначительно, то для заряда будет достаточен компенсирующий заряд батареи, который обеспечит постепенное восстановление ее рабочей емкости. Однако при глубоком разряде потребуется применение другого зарядного устройства, способного обеспечить достаточно высокий ток заряда. В случае глубокого разряда и последующей за ним струйной подзарядке может произойти сульфатация пластин батареи со всеми вытекающими последствиями. Выход из положения может заключаться в недопущении глубокого разряда, что обеспечивается микропроцессором UPS, следящим за уровнем разряда батареи.

При компенсирующем заряде следует также учитывать, что длительный заряд при незначительных колебаниях напряжения заряда существенно снижает срок службы батареи. Поэтому должна быть предусмотрена его стабилизация. Желательно, чтобы отклонение напряжения заряда от нормы не превышало ±1 %. Кроме того, поскольку зарядные характеристики в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, зарядное устройство должно иметь схему термокомпенсации.

Нельзя утверждать, что компенсирующий заряд столь полезен для свинцово-кислотных батарей, потому что этот метод обычно используют в двух случаях: при их незначительном разряде и для подзарядки заряженных батарей с целью компенсации их саморазряда.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов недопустим недостаточный заряд, т. к. это приводит к сульфатации отрицательных пластин. Но в равной степени, недопустим и перезаряд, вызывающий коррозию положительных пластин. При компенсирующем заряде, если он продлится слишком долго, начнется перезаряд батареи и, кроме того, будет происходить вскипание электролита.

Итак, из всего вышесказанного, можно сделать вывод о том, что в наиболее массовых источниках бесперебойного питания используются самые простые методы заряда – метод заряда постоянным напряжением и метод компенсирующего заряда.

Еще необходимо отметить, что при выборе значения напряжения заряда необходимо учитывать температуру окружающей среды: при ее высоких значениях требуется напряжение немного уменьшить, а при низких – увеличить. Именно поэтому в хороших зарядных устройствах, предназначенных для эксплуатации в широком диапазоне температур, имеется специальная схема, контролирующая температуру окружающей среды и обеспечивающая установку напряжения компенсирующего заряда в соответствии с ее значением.

В принципе, говорить обо всех особенностях аккумуляторных батарей и их зарядных устройств, можно еще достаточно долго, но все-таки вернемся к теме нашей публикации и начнем знакомство с практическими вариантами зарядных устройств. Но вся приведенная здесь информация, надеемся, поможет нашим читателям лучше понять все то, что будет представлено далее.


Зарядные устройства на базе линейных регуляторов напряжения

Зарядные устройства в виде линейных регуляторов напряжения на сегодняшний день очень редко используются компанией APC в своих источниках бесперебойного питания. Линейные регуляторы широко использовались в моделях первого (1G) и второго (2G) поколений, и их использование чаще всего было характерно для моделей с небольшой выходной мощностью.

Что же касается других производителей, то они до сих пор продолжают использовать линейные регуляторы в качестве зарядных устройств, т.к. имена эта топология является наиболее простой как в проектировании, так и в практической реализации.

Блок–схема зарядного устройства на базе линейного регулятора напряжения представлена на рис.3, который и демонстрирует всю простоту схемы. Обязательным элементом схемы является понижающий низкочастотный трансформатор. В качестве которого, кстати, может использоваться основной силовой трансформатор источника бесперебойного питания. В этом случае в трансформаторе имеется дополнительная понижающая обмотка. Такое решение позволяет избежать применения отдельного трансформатора, что позволяет снизить и стоимость, и массу UPS.



Рис.3 Архитектура зарядного устройства ИБП (линейный регулятор)

Преобразование переменного напряжения в постоянное, традиционно, осуществляется выпрямителем на базе диодного моста, с которого выпрямленное напряжение поступает на схему регулятора-стабилизатора.

Режим работы регулятора напряжения может определяться двумя схемами:

- схемой ограничения тока стабилизатора;

- схемой термической регулировки.

Обе эти схемы являются опциональными и их наличие характерно для зарядных устройств более высокого класса. В простейших зарядных устройствах, работающих в режиме заряда постоянным напряжением, они чаще всего отсутствуют.

Включение и выключение регулятора напряжения осуществляется микропроцессором (или другим контроллером, выполняющим функцию главной управляющей микросхемы UPS) посредством сигнала ON/OFF. Включение и выключение зарядного устройства осуществляется микропроцессором, который анализирует состояние сигнала уровня заряда аккумулятора и сигнала AC-OK (сигнала наличия на входе UPS переменного сетевого напряжения).

Подавляющим большинством разработчиков UPS используется микросхема LM317 в качестве основы линейного регулятора зарядного напряжения. Эта универсальная микросхема трехвыводного стабилизатора положительного напряжения, позволяющая проектировать стабилизаторы с выходным напряжением от 1.2В до 37В и током нагрузки до 1.5А. Мы не будем сейчас распространяться по поводу LM317, ведь любой желающий найдет о ней самую подробную информацию как через Internet, так и в отечественных справочниках по зарубежной элементной базе. Единственное, на чем хотелось бы остановиться, так это на особенностях включения стабилизатора и методах программирования уровня выходного напряжения.

Стабилизатор LM317 удобен тем, что требуют всего двух внешних резисторов для задания уровня выходного напряжения. Кроме того, показатели нестабильности по току нагрузки и напряжению у LM317 гораздо лучше, чем у стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. LM317 имеет встроенную схему защиты от перегрузки, схему ограничения тока, схему защиты от перегрева, схему защиты от несоблюдения области безопасной работы.

Конфигурация внешних резисторов и направление токов, протекающих через выводы LM317, показаны на рис.4. Стабилизатор обеспечивает опорное напряжение Vref = 1.25 В (напряжение между выходным и управляющим выводами). Это опорное напряжение прикладывается к задающему ток резистору R1. Значение же выходного напряжения определяется по формуле (1):
Vout=Vref(1+R2/R1)+IADJR2 (1)


Рис.4 Стабилизатор LM317

Ток через управляющий вывод не превышает значения 100мкА и в данной формуле входит в слагаемое, определяющее погрешность. Поэтому при разработке стабилизатора ток IADJ стремятся предельно снизить, и, таким образом, уменьшить, насколько это возможно, изменения выходного напряжения и тока нагрузки. Для этой цели, весь ток потребления протекает через выходной вывод микросхемы, определяя минимально необходимый ток нагрузки. Если нагрузка на выходе не достаточна, то выходное напряжение будет расти. Для предотвращения этого явления в зарядных устройствах вводится следящая цепь, которая при увеличении выходного напряжения (а это может происходить по мере заряда аккумуляторов) корректирует номиналы резистивного делитель, и, в частности, эквивалентное сопротивление резистора R2. Пример такой следящей связи представлен на рис.5. В представленной схеме датчиком выходного напряжения является резистивный делитель R4/R5. Увеличение выходного напряжения приводит к открыванию транзистора Q1 и подключению резистора R3 параллельно резистору R2. В результате, эквивалентное сопротивление резистора R2 уменьшается, что приводит к снижению величины выходного напряжения. Аналогичным образом можно компенсировать и величину зарядного напряжения при изменении окружающей температуры. Для этого вместо резистора R5 достаточно установить терморезистор.
Рис.5 Следящая цепь позволяет предотвращать изменение выходного напряжения и тока нагрузки

Ни один из выводов микросхемы не должен быть подключен к "земле" в обязательном порядке. Подключение к "земле" осуществляется через соответствующий делитель. Поэтому данный стабилизатор, как говорят, имеет "плавающие" относительно "земли" потенциалы выводов. Как результат этого, с помощью LM317 могут стабилизироваться напряжения в несколько сотен вольт, при условии, что не будет превышен допустимый предел разности напряжений между входом и выходом (максимальное значение разности не должно превышать 40В).

Необходимо отметить, что микросхема LM317 удобна для создания не только линейных стабилизаторов с программируемым выходным напряжением, но и для создания простых регулируемых импульсных стабилизаторов, хотя именно такое решение в источниках бесперебойного питания, практически, не встречается.

Подключение управляющего вывода ADJ (конт.2) к «земле» приводит к тому, что выходное напряжение стабилизатора задается на уровне 1.2 В, при котором большинство нагрузок начинает потреблять мизерный ток, т.е., фактически, нагрузка выключается. Именно по такому принципу осуществляется включение/выключение зарядного устройства. Для этого в схему вводится транзистор, включаемый между «землей» и контактом ADJ. Транзистор управляется TTL-сигналом, формируемым микроконтроллером рис.6.

Рис.6 Включение/выключение стабилизатора LM317

Открывание транзистора приводит к шунтированию на землю вывода ADJ и выключению зарядного устройства. Запирание же транзистора позволяет включить зарядное устройство и сформировать на выходе LM317 напряжение, величина которого задана внешним резистивным делителем. Шунтирование управляющего вывода может осуществляться не напрямую на «землю», а через резистор (рис.7). В этом случае на выходе зарядного устройства формируется уже не 1.2В, а несколько большее напряжение, однако, все равно, с достаточно низким потенциалом, что, фактически, соответствует прекращению работы зарядного устройства.

Рис.7

Кроме управляющего транзистора, в схеме зарядного устройства часто имеется еще и ограничитель тока, который отключает стабилизатор LM317 в случае превышение тока нагрузки (в данном случае тока заряда аккумуляторов) сверх установленного значения. Вариант зарядного устройства с ограничителем тока представлен на рис.8. Именно так и выглядят зарядные устройства подавляющего большинства источников бесперебойного питания компании PowerCom модельного ряда KING (семейство KIN) и модельного ряда Black Knight (семейство BNT). В данной схеме величина тока, при котором происходит ограничение, задается, в первую очередь, номиналом резистора R3. Падение напряжения на резисторе R3 управляет транзистором Q1. Резистор R3 с сопротивлением 1 Ом устанавливает предельное значение тока 0.6А. А в принципе, величина выходного тока, при котором осуществляется ограничение, т.е. величина тока короткого замыкания (КЗ) вычисляется по формуле (2):
Iкз = 600 mV / R3 (2)

Рис.8 Зарядное устройство ИБП PowerCom семейств KIN/BNT

На этом рассмотрение особенностей микросхемы LM317 мы заканчиваем и переходим к обзору практических схем зарядных устройств различных источников бесперебойного питания.

Единственное, на что еще можно обратить внимание, так это на то, что у микросхемы LM317 имеется и отечественный аналог – это стабилизатор 142ЕН12, который ничем от нее не отличается (ни характеристиками, ни типом корпуса, ни внутренней схемой, ни схемами применения).

Рис.9 Зарядное устройство ИБП APC Back-UPS 600 (шасси 640-0208E)

На рис.9 представлен первый пример использования LM317 для построения зарядного устройства. В этом примере на вход стабилизатора подается выпрямленное, но не сглаженное напряжение, получаемое на выходе диодного моста из пониженного сетевого переменного напряжения. В результате, на выходе стабилизатора, также формируется не постоянное напряжение, а «параболы со срезанными верхушками». Ограничение параболы осуществляется на уровне напряжения стабилизации, который, в первую очередь, задается резисторами R9 и R11. Более точная подстройка этого напряжения осуществляется делителем R10/VR1. Таким образом, переменный резистор VR1 позволяет подрегулировать величину выходного напряжения зарядного устройства. Сглаживание выходного напряжения зарядного устройства осуществляется электролитическим конденсатором C3.

Рис.10 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 800/1500AP

На рис.10 приводится схема зарядного устройства, использующегося во многих моделях семейств KIN и BNT фирмы PowerCom. Это зарядное устройство строится по классической схеме с ограничением по току. Величина выходного напряжения зарядного устройства задается резистивным делителем R7/R38. Токовым датчиком, задающим порог токового ограничения, является резистор R51. Токовый датчик управляет транзистором Q8, с помощью которого осуществляется блокирование стабилизатора в момент превышения током порогового значения. Включение/выключение зарядного устройства осуществляется транзистором Q10, который управляется сигналом ON/OFF от микропроцессора.



Рис.11 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 425/625AP

На рис.11 представлена еще одна схема зарядного устройства для UPS компании PowerCom. Эта схема также построена на основе классической схемотехники зарядного устройства с токовым ограничением, однако в ней предусмотрено изменение режимов работы зарядного устройства. Изменение режимов работы, т.е. программирование зарядного устройства, осуществляется сигналом VOLT_SELECT, который является дискретным сигналом и генерируется микропроцессором. Этим сигналом изменяются параметры резистивного делителя, задающего выходное напряжение стабилизатора, и в частности изменяется сопротивление «нижнего» резистора (R2 на рис.4). Установка сигнала VOLT_SELECT в высокий уровень приводит к открыванию транзистора Q12 и запиранию Q7. В результате «нижним» резистором делителя становится резистор R15. Установка же сигнала VOLT_SELECT в низкий уровень приводит к открыванию транзистора Q7 и закрыванию Q12, в результате чего «нижним» резистором делителя становится R17 c другим номиналом сопротивления, что, в итоге, приводит к изменению выходного напряжения зарядного устройства.

Включение и выключение зарядного устройства осуществляется сигналом ON/OFF и транзистором Q18, при открывании которого управляющий вывод стабилизатора LM317 (конт.1) шунтируется на «землю». Ограничение тока, как обычно, осуществляется транзистором Q19, который, в свою очередь, управляется токовым датчиком – резистором R35.

На схеме, изображенной на рис.11 можно видеть еще и наличие датчика работы зарядного устройства, состоящего из R53, R45 и C19. Этим датчиком генерируется сигнал CHRG_ON сразу же, как только на входе UPS появляется питающее напряжение первичной сети. Этот сигнал своим высоким уровнем сообщает микропроцессору о наличии сетевого напряжения и возможности начала процесса заряда аккумуляторов. Именно по этому сигналу микропроцессор устанавливает сигнал ON/OFF в низкий уровень, что и приводит к запуску зарядного устройства. В принципе, этот датчик можно было бы назвать датчиком наличия сетевого напряжения.

Рис.12 Зарядное устройство ИБП Back-UPS 900/1250 (шасси 640-0209)

Зарядное устройство на рис.12 предназначено для формирования мощного тока заряда аккумуляторов. Но так как LM317 позволяет формировать ток величиной всего лишь до 1.5А, то для увеличения мощности устанавливают параллельно два стабилизатора (IC12 и IC13), в результате чего ток нагрузки делится между двумя этими микросхемами примерно пополам, т.е. данное зарядное устройство обеспечивает зарядный ток, величиной до 3А. Величина зарядного напряжения задается резисторами R141, R142, R143 и VR6. Как и в одном из уже рассмотренных примеров, переменный резистор VR6 позволяет обеспечить точную подстройку напряжения зарядного устройства. Эта операция выполняется на заводе-изготовителе, а также может осуществляться сервисными инженерами при тестировании UPS.

В данной схеме предусмотрен плавный запуск зарядного устройства, т.е. выходное напряжение нарастает постепенно – по экспоненциальному закону. Плавный запуск обеспечивается схемой, состоящей из транзистора Q45 и интегрирующей цепи R166/C48. В момент появления переменного напряжения на выходе понижающего трансформатора T2, конденсатор C48 разряжен, в результате чего транзистор Q45 оказывается закрытым. Закрытый Q45 «отсекает» от «земли» резистивный делитель (и, в частности, резистор R142), с помощью которого задается величина выходного напряжения зарядного устройства. Однако по мере заряда конденсатора C48, транзистор Q45 начинает приоткрываться, и задающий делитель подключается к «земле». Напряжение на конденсаторе растет по экспоненциальному закону, в результате чего по такому же закону изменяется выходное напряжение и ток.

Транзистор Q19 является управляющим транзистором, с помощью которого осуществляется включение и выключение зарядного устройства. Управляется транзистор сигналом ACFAIL, который устанавливается в высокий уровень в момент пропадания сетевого напряжения. Активизация сигнала ACFAIL приводит к открыванию транзистора Q19 и выключению зарядного устройства.

Кроме того, в данной схеме предусмотрена и термическая компенсация зарядного напряжения, и термическая защита. Для этих целей предназначен терморезистор R161 и управляемый им транзистор Q18, который, в свою очередь, управляет транзистором Q19.

Кроме LM317 в зарядных устройствах могут применяться и интегральные трехвыводные стабилизаторы на фиксированное напряжение. Эти стабилизаторы имеют три вывода: входное напряжение, выходное напряжение и «земля». Именно относительного «земли» эти стабилизаторы и ограничивают свое выходное напряжение. Из всего многообразия таких микросхем, наиболее подходящими для построения зарядных устройств аккумуляторов являются стабилизаторы на 15 Вольт. Однако напряжение 15В является избыточным. Поэтому для снижения величины действующего выходного напряжения эти стабилизаторы заставляют работать в условно-импульсном режиме. Такой режим подразумевает, что на вход стабилизатора подается несглаженное выпрямленное напряжение. В результате, на выходе стабилизатора формируются «срезанные» на уровне 15 Вольт параболы, при сглаживании которых далее получают напряжение около 14 Вольт. Пример такого зарядного устройства представлен на рис.13.



Рис.13 Зарядное устройство ИБП APC BK-Baby (BK300MI/500MI) (шасси 640-023F)

http://www.mirpu.ru/ups/84-shemups/157-2011-05-26-11-46-11.html?7e140644fd59b5a50fc3bc698d26617e=f08045c50c6f81fba162d2acb796209c

Зарядные устройства источников бесперебойного питания. Часть II.
Источники бесперебойного пиания (UPS) - Схемотехника

Продолжаем обзор одного из важнейших модулей, входящего в состав любого источника бесперебойного питания – зарядного устройства аккумуляторных батарей. Первая часть этого обзора была представлена в последнем номере журнала за 2008 год, и в ней рассматривались общие вопросы, связанные с принципами заряда герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов, а также вопросы схемотехники зарядных устройств на основе линейных регуляторов напряжения. Однако все чаще в современных источниках бесперебойного питания для заряда аккумуляторов применяются импульсные преобразователи, которые и будут рассматриваться во второй части обзора.



Читать первую часть статьи



В качестве зарядных устройств в источниках бесперебойного используются оба типа импульсных преобразователей:

- DC-DC преобразователи;

- AC-DC преобразователи.

На вход DC-DC преобразователей подается постоянное напряжение, номинал которого, как правило, несколько выше того, что требуется для заряда аккумуляторов, например +18В. Из этого постоянного, но завышенного напряжения, DC-DC преобразователь создает также постоянное напряжение, но уже меньшего номинала, например +13.8В. Однако в отличие от линейных регуляторов, в процессе подобного преобразования, из постоянного напряжения сначала получают высокочастотные импульсы, которые затем обратно преобразуются в постоянное напряжение (рис.14).

Рис.14

В результате такого преобразования удается понизить напряжение до любого значения, не рассеивая при этом его часть в виде тепла. Таким образом, импульсные преобразователи являются более экономичными и имеют достаточно высокий КПД. Так как при импульсном преобразовании осуществляется понижение входного напряжения, импульсные регуляторы этого типа получили название понижающих DC-DC преобразователей (Step Down, TRIM и т.п.). Величина выходного напряжения в этих преобразователях определяется шириной импульсов, т.е. напряжение регулируется методом ШИМ. Увеличение ширины импульсов приводит к увеличению выходного постоянного напряжения, а уменьшение ширины импульсов, соответственно, к снижению выходного напряжения. Таким образом, в составе импульсного DC-DC преобразователя должен присутствовать ШИМ-контроллер, который традиционно, представляет собой интегральную микросхему. ШИМ-контроллер обеспечивает переключение силового транзистора, являющегося ключом, предназначенным для преобразования постоянного тока в импульсный (прерывистый ток). Для обеспечения стабилизации выходного напряжения и поддержания его на номинальном уровне, выходное постоянное напряжение считывается ШИМ-контроллером через цепь обратной связи, которая представляет собой резистивный делитель напряжения. Частота преобразования должна составлять несколько десятков кГц, и эта частота задается собственным тактовым генератором ШИМ-контроллера (часто с помощью внешнего частотозадающего конденсатора и/или резистора). Общая схема DC-DC преобразователя с ШИМ-регулировкой выходного напряжения представлена на рис.15.

Рис.15

Необходимо отметить, что ШИМ-контроллер часто совмещают с силовым ключом в составе одного чипа, получая, таким образом, микросхему ШИМ-контроллера со встроенным ключом. Такое решение отличается компактностью, низкой стоимостью и простотой проектирования. Микросхем подобного класса предостаточно, но в UPS компании APC широкое применение получила микросхема типа LM2575, архитектура которой представлена на рис.16, а ее основные характеристики – в табл.4.
Таблица 4

Параметр


Значение

Величина выходного напряжения


от 1.23В до 37В

Допуск на отклонение выходного напряжения


4%

Величина выходного тока


до 3А

Диапазон входного напряжения


до 45В

Частота генератора


52 кГц

КПД


77%

Длительность рабочего цикла


до 93%

Порог термической защиты


150°С



Рис.16

Пример зарядного устройства на базе LM2575 приводится на рис.17. В UPS традиционно применяется микросхема LM2575-ADJ, которая в отличие от других микросхем семейства предназначена для формирования не фиксированного выходного напряжения, а регулируемого. Величина выходного напряжения при этом задается внешним делителем, устанавливающим соответствующее напряжение на входе FEEDBACK. В схеме на рис.17 таким делителем, формирующим сигнал обратной связи, являются R66/R67. Номиналы именно этих двух резисторов задают величину выходного напряжения зарядного устройства, т.е. величину напряжения, прикладываемого к аккумуляторной батарее. Изменение номинала этих резисторов будет приводить к изменению ширины импульсов на выходе LM2575 (смотреть крупнее).


Рис.17

Источником энергии для данного зарядного устройства является силовой трансформатор Т, одна из обмоток которого подключается к питающей сети 220В. К другой обмотке этого трансформатора подключается зарядное устройство через разъемы J4 и J5. На этих разъемах присутствует пониженное переменное напряжение, появляющееся сразу же, как только UPS подключается к питающей сети. Это переменное напряжение выпрямляется двухполупериодным полумостовым выпрямителем, состоящим из диодов D21-D24. Далее выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором C42, в результате чего получается постоянное напряжение величиной примерно +18В. В схеме первичного выпрямителя мы встречаем еще два транзистора Q12 и Q13. Но эти транзисторы не имеют никакого отношения к зарядному устройству. Дело в том, что обмотка трансформатора, подключаемая с помощью J4 и J5, одновременно является еще и фиксирующей обмоткой (Clamp), т.е. обмотка является двухфункциональной (понижающая обмотка – при работе от сети, и фиксирующая обмотка – при работе от аккумуляторов). Транзисторы Q12 и Q13 начинают переключаться только в тот момент времени, когда UPS переходит на работу от аккумулятора и начинает формировать выходное импульсно-прямоугольное напряжение, «пауза на нуле» в котором создается именно с помощью обмотки Clamp и транзисторов Q12/Q13.

Итак, полученное постоянное напряжение +18В прикладывается к входу микросхемы LM2575 (конт.1 – IN). Но подается это напряжение через токовый датчик, с помощью которого отслеживается величина тока, потребляемого схемой зарядного устройства. Таким образом, данное зарядное устройство обеспечивает ограничение зарядного тока аккумулятора.

Непосредственно токовым датчиком является низкоомный резистор R65. Через этот резистор протекает весь ток, потребляемый микросхемой LM2575 (т.е. ток, потребляемый аккумулятором). Падение напряжения на этом резисторе отслеживается транзистором Q11. Увеличение тока приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R65 и к открыванию транзистора Q11. Открываясь, транзистор Q11 подает дополнительное смещение на вход обратной связи FEEDBACK (конт.4), что приводит к уменьшению ширины импульсов на выходе микросхемы OUT (конт.2), т.е. приводит к уменьшению величины зарядного напряжения.

Включение и выключение зарядного устройства осуществляется сигналом CHARGE, подаваемым на конт.5. Этот сигнал генерируется микропроцессором UPS и представляет собой дискретный сигнал. Установка сигнала в низкий уровень приводит к запуску зарядного устройства и началу заряда аккумуляторов. В момент перехода на работу от аккумуляторов, микропроцессор устанавливает сигнал CHARGE в высокий уровень, и зарядное устройство выключается.

Импульсы, сформированные на выходе LM2575 (конт.2), сглаживаются дросселем L1и конденсатором С41, в результате чего создается постоянное напряжение величиной 13.6-13.8 В. Это напряжение на схеме обозначается XFMRLVCT и 12UNFILT. Конденсатор C44 обеспечивает дополнительное сглаживание напряжения. К аккумуляторной батарее это напряжение прикладывается через предохранитель F2. Параллельно включенные диоды D19/D20 являются выпрямительными диодами, поддерживающими в нагрузке ток в те моменты времени, когда отсутствует напряжение на выходе LM2575 (мертвое время импульса). Ток нагрузки в этот момент времени создается за счет энергии само-ЭДС дросселя L1.

Данное зарядное устройство не позволяет регулировать зарядное напряжение аккумулятора, но обеспечивает ограничение зарядного тока.

Второй вариант зарядного устройства на основе импульсного DC-DC преобразователя представлен на рис.18 (смотреть крупнее).


Рис.18

Данное зарядное устройство практически полностью аналогично устройству на базе контроллера LM2575. Отличие заключается в использовании другого ШИМ-контроллера со встроенным силовым ключом. В схеме на рис.18 используется контроллер MC34163, внутреннее построение которого представлено на рис.19, а функциональное назначение контактов описано в табл.5.

Рис.19


Таблица 5

№


Обознач.


Назначение

1


LVI OUTPUT


Выход компаратора низковольтного напряжения. Может использоваться для формирования сигнала сброса (RESET) микропроцессора.

2


FEEDBACK2


Вход №2 внутреннего компаратора ошибки. Контакт используется как вход сигнала обратной связи, а также может использоваться для подачи сигнала, задающего величину выходного напряжения преобразователя.

3


FEEDBACK1


Вход №1 внутреннего компаратора ошибки. Контакт используется как вход сигнала обратной связи, а также может использоваться для подачи сигнала, задающего величину вы-ходного напряжения преобразователя. Используется, в основном, в случаях, когда требуется управление сигналом величиной около 5В.

4,5


GND


Общий

6


TIMING CAPACITOR


Контакт для подключения внешнего частотозадающего конденсатора.

7


VCC


Вход напряжения питания (до +40В).

8


Ipk SENSE


Вход компаратора токовой защиты. Компаратор оценивает падание напряжения на внешнем резисторе, включаемом между контактом питания (VCC) и ключевым транзистором. Падение напряжения на этом резисторе свыше 250 мВ приводит к срабатыванию внутренней защиты и выключению транзистора.

9


DRIVE COLLECTOR


Коллектор внутреннего управляющего транзистора. К входу прикладывается напряжение, которое подается на базу внутреннего силового транзистора.

10,11


SWITH COLLECTOR


Коллектор внутреннего силового транзистора-ключа (вход постоянного напряжения).

12,13


GND


Общий

14,15


SWITСH EMITTER


Эмиттер внутреннего силового транзистора-ключа (выход высокочастотных импульсов, амплитуда которых равна напряжению на конт.10 и конт.11).

16


BOOTSTRAP


Вход однокаскадного усилителя с компенсационной обратной связью. Такой усилитель выполнен на базе внутренних транзисторов Q1 и Q2.

Основные характеристики контроллера представлены в табл.6
Таблица 6

Параметр


Значение

Диапазон входных напряжений


от 2.5 до 40В

Допуск на отклонение выходного напряжения


2%

Величина выходного тока


до 3.4 А

Частота генератора


45 – 55 кГц

КПД


76.7%

Порог термической защиты


150°С

В отличие от LM2575, контроллер MC34163 имеет более «продвинутую» и сложную архитектуру, которая включает в себя ограничитель тока, генератор с настраиваемой частотой, компаратор низковольтных сигналов (LVI – Low Voltage Indicator), компаратор обратной связи (VFB), выходной каскад, построенный по схеме Дарлингтона и другие элементы. Контроллер MC34163 предназначен для построения как понижающих, так и повышающих DC-DC преобразователей и является достаточно универсальной микросхемой.

Представленная на рис.18 схема состоит из следующих основных элементов::

- силовой трансформатор T, являющийся источником энергии для зарядного устройства;

- двухполупериодный выпрямитель (D33, D35, D37, D38);

- схема фиксации, состоящая из транзисторов Q34 и Q33, которая к зарядному устройству не относятся (транзисторы закреплены на радиаторах HS5/HS6);

- датчик выходного напряжения, формирующий сигнал VCHEK и состоящий из выпрямительных диодов D101/D102 и резистивного делителя напряжения R83/R84;

- сглаживающий «первичный» конденсатор C30, на котором создается постоянное напряжение около 18В;

- токовый датчик зарядного тока – R75;

- частотозадающий конденсатор C35;

- выпрямитель «вторичный» - диоды D28/D29;

- сглаживающий дроссель L3 и сглаживающие конденсаторы C50 и C34.

Стабилизация выходного напряжения обеспечивается сигналом обратной связи, подаваемым на конт.2 (VF2). Сигнал обратной связи формируется резистивным делителем R64/R65. Кроме того, величина выходного напряжения зарядного устройства определяется уровнем сигнала FLOATSET, который суммируется с сигналом обратной связи и подается на конт.2 микросхемы IC8. Сигнал FLOATSET является аналоговым сигналом, величина которого задается микропроцессором UPS в зависимости от режима заряда аккумулятора. Этот аналоговый сигнал формируется с использованием цифровых выходных портов микропроцессора (рис.20).


Рис.20

Фактически получается, что цифровые порты, подключая резисторы R27, R28, R29 в различной комбинации, шунтируют сигнал обратной связи через изменяемый делитель, что приводит к изменению сигнала обратной связи, а, следовательно, и к изменению зарядного напряжения. Комбинацией из трех резисторов R27-R29 можно задать восемь различных уровней зарядного напряжения аккумуляторов.

Интересно в данной схеме осуществляется включение/выключение зарядного устройства. Эта функция обеспечивается сигналом CHARGE, который также формируется микропроцессором UPS. Установка сигнала в высокий уровень приводит к открыванию транзистора Q100, в результате чего транзистор шунтирует «на землю» частотозадающий конденсатор C35. Внутренний генератор контроллера в этом случае не работает, и выходное напряжение не генерируется. Установка же сигнала CHARGE в низкий уровень приводит к запиранию транзистора Q100 и к запуску внутреннего генератора на частоте, определяемой конденсатором C35. В результате появляются импульсы на выходе микросхемы.

Таким образом, зарядное устройство, схема которого представлена на рис.18, является управляемым, т.е. включается и выключается по команде от микропроцессора, а также обеспечивает контроль зарядного тока аккумулятора и позволяет управлять величиной зарядного напряжения.