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

Рис. 5. Входные цепи

Рис. 6. Включение процессора

Рис. 7. Выходной инвертор

Таблица 3. Типовые неисправности ИБП Smart-Ups 450VA700VA

Краткое описание дефекта Возможная причина Способ отыскания и устранения неисправности

Не подключены батареи Подключить батареи

Плохая или неисправная батарея,
мала ее емкость

Пробиты мощные полевые

ИБП не включается

ИБП включается только от
батареи

ИБП не стартует. Светится
индикатор замены батареи

ИБП не включается в линию

При включении ИБП
происходит сброс нагрузки

Перегрузка ИБП

Не заряжается батарея

При включении ИБП не
стартует, слышен щелчок

Дефект индикаторов Неисправна схема индикации

ИБП не работает в режиме
On-line

При переходе на работу от
батареи ИБП выключается и
включается
самопроизвольно

транзисторы инвертора

Обрыв гибкого кабеля, соединяющего
дисплей

Продавлена кнопка включения Заменить кнопку SW2

Сгорел предохранитель F3

Если батарея исправна, то ИБП
неверно отрабатывает программу

Оторван сетевой кабель или нарушен
контакт

Холодная пайка элементов платы

Неисправны варисторы Проверить или заменить варисторы MV1MV4

Неисправен датчик напряжения Т1

Уменьшилась емкость конденсатора
С17

Вероятна утечка конденсаторов Заменить С44 или С52Мигают индикаторы дисплея

Неисправны контакты реле или
элементы платы

Мощность подключенного
оборудования превышает
номинальную

Неисправен трансформатор Т2 Заменить Т2

Неисправен датчик тока СТ1

Неисправна IС15

Неверно работает программа ИБП

Вышла из строя схема заряда
батареи

Неисправна батарея

Неисправен микропроцессор IС12 Заменить IС12

Неисправна схема сброса

Дефект элементов платы

Пробит транзистор Q3 Заменить транзистор Q3

Заменить батарею. Емкость заряженной батареи можно
проверить лампой дальнего света от автомобиля (12 В,
150 Вт)

В этом случае на выводах батареи, подключенной к плате
ИБП, нет напряжения. Проверить омметром и заменить
транзисторы. Проверить резисторы в цепях их затворов.
Заменить IC16

Эта неисправность может быть вызвана замыканием
выводов гибкого кабеля на шасси ИБП. Заменить гибкий
кабель, соединяющий дисплей с основной платой ИБП.
Проверить исправность предохранителя F3 и
транзистора Q5

Заменить F3. Проверить исправность транзисторов
Q5 и Q6

Сделать калибровку напряжения батареи при помощи
фирменной программы от APC

Соединить сетевой кабель. Проверить омметром
исправность пробки-автомата. Проверить соединение
шнура «горячий-нейтраль»

Проверить исправность и качество паек элементов L1, L2 и
особенно Т1

Заменить Т1. Проверить исправность элементов:
D18…D20, C63 и C10

Заменить конденсатор С17

Заменить реле. Заменить IС3 и D20. Диод D20 лучше
заменить на 1N4937

Уменьшить нагрузку

Заменить СТ1. Сопротивление более 4 Ом указывает на
неисправность датчика тока

Заменить IС15. Проверить напряжение 8 В и 5 B.
Проверить и при необходимости заменить: IС12, IС8, IС17,
IС14 и мощные полевые транзисторы инвертора.
Проверить обмотки силового трансформатора

Откалибровать напряжение батареи фирменной
программой от АРС. Проверить константы 4, 5, 6, 0.
Константа 0 критична для каждой модели ИБП. Проверку
константы делать после замены батареи

Заменить IС14. Проверить напряжение 8 В на выв. 9 IС14,
если его нет, то заменить С88 или IС17

Заменить батарею. Ее емкость можно проверить лампой
дальнего света от автомобиля (12 В, 150 Вт)

Проверить исправность и заменить неисправные
элементы: IС11, IС15, Q51…Q53, R115, С77

Проверить и заменить неисправные Q57Q60 на плате
индикаторов

Заменить Q56. Проверить исправность элементов: Q55,
Q54, IС12. Неисправна IС13, или ее придется
перепрограммировать. Программу можно взять с
исправного ИБП

 контролирует заряд батареи, тестирует ее реаль­ной нагрузкой и защищает ее от перезаряда, обес­печивая непрерывную зарядку;

 обеспечивает режим замены батарей без от­ключения питания;

 проводит самотестирование (каждые две не­дели или по нажатию кнопки Power) и выдает пре­дупреждение о необходимости замены батареи;

 индицирует уровень подзарядки батареи, на­пряжения в сети, нагрузки ИБП (количество под­ключенного к ИБП оборудования), режим питания от
батареи и необходимость ее замены.

В микросхеме памяти EEPROM IC13 хранятся за­водские установки, а также калиброванные установ­ки уровней сигналов частоты, выходного напряжения,
границ перехода, напряжения зарядки батареи.

Цифро-аналоговый преобразователь IC15
(DAC-08CN) формирует на выводе 2 эталонный си­нусоидальный сигнал, который используется как
опорный для IC17 (APC2010).

ШИМ-сигнал формируется IC14 (APC2020) со­вместно с IC17. Мощные полевые транзисторы
Q9Q14, Q19Q24 образуют мостовой инвертор.
Во время положительной полуволны ШИМ-сигна­ла открыты Q12Q14 и Q22Q24, а Q19Q21 и
Q9Q11 закрыты. Во время отрицательной полу­волны открыты Q19Q21 и Q9Q11, а Q12Q14 и
Q22Q24 закрыты. Транзисторы Q27Q30, Q32,
Q33, Q35, Q36 образуют двухтактные драйверы,
формирующие сигналы управления мощными поле­выми транзисторами, имеющими большую входную

емкость. Нагрузкой инвертора является обмотка
трансформатора, она подключается проводами W5
(желтый) и W6 (черный). На вторичной обмотке
трансформатора формируется синусоидальное на­пряжение 230 В, 50 Гц для питания подключенного
оборудования.

Работа инвертора в «обратном» режиме исполь­зуется для зарядки батареи пульсирующим током во
время нормальной работы ИБП.

ИБП имеет встроенный слот SNMP, который по­зволяет подключать дополнительные платы для рас­ширения возможностей ИБП:

 адаптер Power Net SNMP, поддерживающий
прямое соединение с сервером на случай аварий­ного закрытия системы;

 расширитель интерфейса ИБП, обеспечиваю­щий управление до трех серверов;

 устройство дистанционного управления
Call-UPS, обеспечивающее удаленный доступ через
модем.

В ИБП имеется несколько напряжений, необходи­мых для нормальной работы устройства: 24 В, 12 В,
5 В и -8 В. Для их проверки можно воспользоваться
табл. 2. Измерять сопротивление с выводов микро­схем на общий провод следует при выключенном ИБП
и разряженном конденсаторе С22. Типовые неисп­равности ИБП Smart-Ups 450VA700VA и способы
их устранения приведены в табл. 3.

Во второй части статьи будет рассмотрено устрой-

ство ИБП класса On-line.