APC 450, 620, 700, 1400 Schematic

КОНСТРУКЦИЯ И РЕМОНТ ИСТОЧНИКОВ
БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ФИРМЫ APC (ЧАСТЬ 1)

Удивляет полное отсутствие информации о таких
распространенных приборах, как источники беспере­бойного питания. Мы прорываем информационную
блокаду и приступаем к публикации материалов по их
устройству и ремонту. Из статьи Вы получите общее
представление о существующих типах бесперебойни­ков и более подробное, на уровне принципиальной
схемы,  о наиболее распространенных моделях
Smart-UPS.

Надежность работы компьютеров во многом оп­ределяется качеством электрической сети. Послед­ствиями таких перебоев электропитания, как скачки,
подъемы, спады и потеря напряжения, могут оказать­ся блокировка клавиатуры, потеря данных, повреж­дение системной платы и пр. Для защиты дорогосто­ящих компьютеров от неприятностей, связанных с
силовой сетью, используют источники бесперебойно­го питания (ИБП). ИБП позволяет избавиться от про­блем, связанных с плохим качеством электропитания
или его временным отсутствием, но не является дол­говременным альтернативным источником электро­питания, как генератор.

По данным экспертно-аналитического центра
«СК ПРЕСС», в 2000 г. объем продаж ИБП на рос­сийском рынке составил 582 тыс. шт. Если сравнить

Рис. 1. Блок-схема ИБП класса Off-line

Рис. 2. Блок-схема ИБП класса Line-interactive

Рис. 3. Блок-схема ИБП класса On-line

эти оценки с данными о продажах компьютеров
(1,78 млн. штук), то получается, что в 2000 г. каждый
третий приобретенный компьютер оснащается инди­видуальным ИБП.

Подавляющую часть российского рынка ИБП за­нимает продукция шести компаний: АРС, Chloride,
Invensys, IMV, Liebert, Powercom. Продукция компа­нии АРС уже который год сохраняет лидирующую по­зицию на российском рынке ИБП.

ИБП делятся на три основных класса: Off-line (или
stand-by), Line-interactive и On-line. Эти устройства
имеют различные конструкции и характеристики.

Блок-схема ИБП класса Off-line приведена на
рис. 1. При работе в нормальном режиме нагрузка
питается отфильтрованным напряжением электро­сети. Для подавления электромагнитных и радиоча­стотных помех во входных цепях используются филь­тры EMI/RFI Noise на металло-оксидных варисторах.
Если входное напряжение становится ниже или выше
установленной величины или вообще исчезает, то
включается инвертор, который в нормальном режи­ме находится в отключенном состоянии. Преобразуя
постоянное напряжение батарей в переменное, ин­вертор осуществляет питание нагрузки от батарей.
Форма его выходного напряжения  прямоугольные
импульсы положительной и отрицательной полярно­сти с амплитудой 300 В и частотой 50 Гц. ИБП клас­са Off-line неэкономично работают в электросетях с
частыми и значительными отклонениями напряже­ния от номинальной величины, поскольку частый пе­реход на работу от батарей уменьшает срок службы
последних. Мощность выпускаемых фирмой APC
ИБП класса Оff-line модели Back-UPS находится в
диапазоне 2501250 ВА, а модели Back-UPS Pro 
в диапазоне 2801400 ВА.

Блок-схема ИБП класса Line-interactive приведе­на на рис. 2. Так же, как и ИБП класса Off-line, они
ретранслируют переменное напряжение электросети
в нагрузку, поглощая при этом относительно неболь­шие всплески напряжения и сглаживая помехи.
Входные цепи используют фильтр EMI/RFI Noise на
металло-оксидных варисторах для подавления элек­тромагнитных и радиочастотных помех. Если в элект­росети произошла авария, то ИБП синхронно, без по­тери фазы колебания, включает инвертор для пита­ния нагрузки от батарей, при этом синусоидальная
форма выходного напряжения достигается фильтра­цией ШИМ-колебания. Схема использует специаль­ный инвертор для подзарядки батареи, который ра­ботает и во время скачков сетевого напряжения.
Диапазон работы без подключения батареи расши­рен за счет использования во входных цепях ИБП
автотрансформатора с переключаемой обмоткой. Пе­реход на питание от батареи происходит, когда напря­жение электросети выходит за границы диапазона.
Мощность выпускаемых фирмой APC ИБП класса
Line-interactive модели Smart-UPS составляет
2505000 ВА.

Блок-схема ИБП класса On-line приведена на
рис. 3. Эти ИБП преобразуют переменное входное на­пряжение в постоянное, которое затем с помощью
ШИМ-инвертора преобразуется снова в переменное со
стабильными параметрами. Поскольку нагрузку всегда
питает инвертор, то нет необходимости в переключе­нии с внешней сети на инвертор, и время переключе­ния равно нулю. За счет инерционного звена постоян­ного тока, каким является батарея, происходит изоля­ция нагрузки от аномалий сети и формируется очень
стабильное выходное напряжение. Даже при больших
отклонениях входного напряжения ИБП продолжает
питать нагрузку чистым синусоидальным напряжением
с отклонением не более ±5% от устанавливаемого
пользователем номинального значения. ИБП класса
On-line фирмы АРС имеют следующие выходные мощ­ности: модели Matrix UPS  3000 и 5000 ВА, модели
Symmetra Power Array  8000, 12 000 и 16 000 ВА.

Модели Back-UPS не используют микропроцессор,
а в моделях Back-UPS Pro, Smart-UPS, Smart/VS,
Matrix и Symmetria микропроцессор используется.

Наибольшее распространение получили устройства:
Back-UPS, Back-UPS pro, Smart-UPS, Smart-UPS/VS.

Такие устройства, как Matrix и Symmetria, используют­ся в основном для банковских систем.

В этой статье рассмотрим конструкцию и схему
моделей Smart-UPS 450VA700VA, применяемых
для питания персональных компьютеров (ПК) и сер­веров. Их технические характеристики приведены
в табл. 1.

ИБП Smart-UPS 450VA700VA и Smart-UPS
1000VA1400VA имеют одинаковую электричес­кую схему и отличаются емкостью батарей, количе­ством выходных транзисторов в инверторе, мощно­стью силового трансформатора и габаритами.

Рассмотрим параметры, характеризующие качество
электроэнергии, а также терминологию и обозначения.

Проблемы с электропитанием могут выражаться в
виде:

 полного отсутствия входного напряжения 
blackout;

 временного отсутствия или сильного падения на­пряжения, вызванного включением в сеть мощной на­грузки (электромотора, лифта и т.п.)  sag или brownout;

 мгновенного и очень мощного повышения напря­жения, как при ударе молнии  spike;

Таблица 1. Технические характеристики моделей Smart-UPS фирмы АРС

Модель 450VA 620VA 700VA 1400VA

Допустимое входное напряжение, В 0320
Входное напряжение

при работе от сети*, В
Выходное напряжение*, В 208253
Защита входной цепи от перегрузки Возвращаемый в исходное положение автоматический выключатель
Диапазон частоты

при работе от сети, Гц
Время переключения на питание от

батареи, мс
Максимальная мощность

в нагрузке, ВА (Вт)
Выходное напряжение

при работе от батареи, В
Частота при работе от батареи, Гц 50 ± 0,1
Форма сигнала

при работе от батареи
Защита выходной цепи от перегрузки Защита от перегрузки и короткого замыкания, при перегрузке выключение с фиксацией
Тип батареи Свинцовая герметичная, необслуживаемая

Количество батарей Ч напряжение, В, 2 × 12 2 × 6 2 × 12 2 Ч 12
Емкость батарей, Ач 4,5 10 7 17
Срок службы батареи, лет 35
Время полного заряда, ч 25

Размеры ИБП
(высота Ч ширина Ч длина), см

Масса нетто (брутто), кг 7,30 (9,12) 10,53 (12,34) 13,1 (14,5) 24,1 (26,1)

450 (280) 620 (390) 700 (450) 1400 (950)

16,8 × 11,9 × 36,8 15,8 × 13,7 × 35,8

165283

4763

4

230

Синусоида

21,6 × 17

×

43,9

×

*Регулируется пользователем с помощью программного обеспечения PowerChute.

Таблица 2. Напряжения в контрольных точках

Напряжение Микросхема/вывод

24 Â IC4/1 1 ÌÎì

12  IC4/3 1 êÎì IC5, Ñ8, D401, IÑ2, Q9Q14, Q19Q24

5  IC5/3 1 êÎì D402, С65, IС12, IС5, IС10, IС13 (перепрограммировать)

8  IC17/1 15 êÎì C7, Q39, Q40, C54, C53, D28, D27, IÑ9, IÑ17

Сопротивление на

общий провод

Возможные неисправные компоненты

C41, C36, С63, IC4, SNMP, плата дисплея с гибким кабелем,
вентилятор

 периодического повышения напряжения, дляще­гося доли секунды, вызванного, как правило, измене­ниями нагрузки в сети  surge.

В Росси провалы, пропадания и скачки напряжения
как вверх, так и вниз составляют приблизительно 95%
отклонений от нормы, остальное  шумы, импульсные
помехи (иголки), высокочастотные выбросы.

В качестве единиц измерения мощности использу­ются Вольт-Амперы (ВА, VA) и Ватты (Вт, W). Они отли­чаются коэффициентом мощности PF (Power Factor):

W = VA × PF.

Коэффициент мощности для компьютерной техни­ки равен 0,6...0,7. Число в обозначении моделей ИБП
фирмы АРС означает максимальную мощность в ВА.
Например, модель Smart-UPS 600VA имеет мощность
400 Вт, а модель 900VA  630 Вт.

Структурная схема моделей Smart-UPS и Smart­UPS/VS показана на рис. 4. Сетевое напряжение по­ступает на входной фильтр ЕМ/RFI, служащий для по­давления помех электросети. При номинальном напря­жении электросети включены реле RY5, RY4, RY3
(контакты 1, 3), RY2 (контакты 1, 3), RY1, и входное на­пряжение проходит в нагрузку. Реле RY3 и RY2 исполь­зуются для режима подстройки выходного напряжения
BOOST/TRIM. К примеру, если напряжение сети увели­чилось и вышло за допустимый предел, реле RY3 и RY2
подключают дополнительную обмотку W1 последова­тельно с основной W2. Образуется автотрансформа­тор с коэффициентом трансформации

K = W2 / (W2 + W1)

меньше единицы, и выходное напряжение падает.
В случае уменьшения сетевого напряжения дополни­тельная обмотка W1 реверсируется контактами реле
RY3 и RY2. Коэффициент трансформации

K = W2 / (W2 - W1)

становится больше единицы, и выходное напряжение по­вышается. Диапазон регулировки составляет ±12%, ве­личина гистерезиса выбирается программой Power Chute.

При пропадании напряжения на входе выключают­ся реле RY2RY5, включается мощный ШИМ-инвер­тор, питающийся от батареи, и в нагрузку поступает си­нусоидальное напряжение 230 В, 50 Гц.

Многозвенный фильтр подавления помех электро­сети состоит из варисторов МV1, МV3, МV4, дросселя
L1, конденсаторов С14С16 (рис. 5). Трансформатор
СТ1 анализирует высокочастотные составляющие на­пряжения сети. Трансформатор СТ2 является датчиком
тока нагрузки. Сигналы с этих датчиков, а также датчи­ка температуры RTH1 поступают на аналого-цифровой
преобразователь IC10 (ADC0838) (рис. 6).

Трансформатор Т1 является датчиком входного
напряжения. Команда на включение устройства (АС
ОК) подается c двухуровневого компаратора IC7 на
базу Q6. Трансформатор Т2  датчик выходного на­пряжения для режима Smart TRIM/BOOST. С выво­дов 23 и 24 процессора IC12 (рис. 6) сигналы BOOST
и TRIM подаются на базы транзисторов Q43 и Q49
для переключения реле RY3 и RY2 соответственно.

Сигнал синхронизации по фазе (PHAS-REF) с вы­вода 5 трансформатора T1 поступает на базу тран­зистора Q41 и с его коллектора на вывод 14 процес­сора IC12 (рис. 6).

В модели Smart-UPS используется микропроцес­сор IC12 (S87C654), который:

 контролирует наличие напряжения в электросе­ти. Если оно пропадает, то микропроцессор подклю­чает мощный инвертор, работающий от батареи;

 включает звуковой сигнал для уведомления
пользователя о проблемах с электропитанием;

 обеспечивает безопасное автоматическое за­крытие операционной системы (Netware, Windows NT,
OS/2, Scounix и Unix Ware, Windows 95/98), сохра­няя данные через двунаправленный коммутационный
порт при наличии установленной программы Power
Chute plus;

 автоматически корректирует падения (режим
Smart Boost) и превышения (режим Smart Trim) напря­жения электросети, доводя выходное напряжение до
безопасного уровня без перехода на работу от батареи;

Рис. 4. Структурная схема моделей Smart-UPS и Smart-UPS/VS