- Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания ИБП фирмы АРС

Это продолжение увлекательной статьи про .

...

которая имеет 8 аналоговых входов CH0...CH7. То, какой из входных сигналов подлежит оцифровыванию, выбирается микропроцессором UPS. Номер считываемого канала передается на АЦП по последовательной шине SPI (Microware). В частности, номер канала передается по линии данных DI, а передача этих данных тактируется тактовым сигналом CLK. Кроме того, при обращениях к микросхеме АЦП, микропроцессором генерируется еще и сигнал выбора микросхемы (CS). Именно по сигналу CS определяется, что микропроцессор обращается к АЦП.

Входные датчики в данном UPS подключены по униполярной схеме, т.е. уровни всех аналоговых сигналов измеряются относительно одного общего контакта (COM), который соединен со схемной "землей" (рис.2).

Рис.2 Считывание сигналов от датчиков процессор осуществляет с помощью АЦП

Оцифрованные данные из АЦП передаются на микропроцессор в последовательном виде по той же самой шине SPI, при этом цикл передачи данных инициируется микропроцессором. Передача данных из АЦП в микропроцессор осуществляется по сигнальной линии DO, при этом, естественно, данные тактируются импульсами на линии CLK. Внутренняя архитектура микросхемы АЦП ADC0838 представлена на рис.3. Это позволит лучше представлять особенности функционирования этого аналого-цифрового преобразователя.

Рис.3 Архитектура микросхемы аналого-цифрового преобразователя ADC0838

Для обмена данными между микропроцессором и ADC0838, используется последовательная шина, в которой входная (DI) и выходная линия данных (DO) совмещены, т.е. со стороны микропроцессора шина данных является двунаправленной. Это возможно потому, что прием и передача данных осуществляются в разные моменты времени. Вначале, на вход DI передается адрес того канала, информацию с которого необходимо преобразовать в цифровой код и обработать. Для этого на линии CLK генерируется пять тактовых импульсов, а сигнал CS на выходе микропроцессора устанавливается в низкий уровень. В течение этих пяти тактовых импульсов по линии DI передается стартовый бит, номер аналогового канала и тип входного сигнала (униполярный или дифференциальный). После окончания этих пяти тактов, начинается процесс передачи цифрового 8-разрядного кода оцифрованного аналогового сигнала. Для этого требуется девять тактовых импульсов. Самый первый из этих девяти тактов можно считать стартовым (Start), в течение которого осуществляется загрузка аналогового сигнала и подготовка АЦП к передаче данных. После того, как передача 8-разрядного кода завершится, сигнал CS устанавливается в высокий уровень, запрещая доступ к ADC0838. Таким образом, передача 8-разрядного кода одного аналогового сигнала занимает 14 тактов. Временная диаграмма сигналов АЦП при считывании показаний аналоговых датчиков приводится на рис.4.

Рис.4 Временная диаграмма работы АЦП ADC0838

Назначение контактов микросхемы ADC приводится в табл.2.

Таблица 2. Назначение контактов микросхемы АЦП ADC8038 в составе APC Smart-UPS 1000

Контакт	№	Наименование сигнала	Назначение
CH0	1	24VFET	Сигнал от кнопки включения UPS, размещенной на тыльной панели. Этот сигнал, фактически, снимается с "положительной" клеммы аккумуляторной батареи, поэтому его величина пропорциональна напряжению на аккумуляторе. По входному сигналу канала CH0 определяется исправность и уровень заряда аккумулятора.
CH1	2	IN-RECT	Сигнал от датчика входного напряжения. Величина сигнала на этом контакте пропорциональна величине входного переменного напряжения.
CH2	3	XISTOR-I	Сигнал от датчика тока транзисторов инвертора. Напряжение на этом контакте пропорционально величине тока, протекающего через силовые транзисторы инвертора.
CH3	4	OUT-RECT	Сигнал от датчика выходного напряжения. Величина сигнала на этом контакте пропорциональна величине переменного выходного напряжения UPS.
CH4	5	OFF SENS	Сигнал от кнопки выключения UPS. Нажатие на кнопку приводит к появлению на входном контакте CH4 сигнала низкого уровня. В данном случае контакт выполняет функцию определения состояния дискретного сигнала.
CH5	6	PWR-OUT	Сигнал от датчика выходного тока. Величина этого сигнала пропорциональна величине тока, потребляемого нагрузкой UPS, т.е. пропорциональна мощности нагрузки.
CH6	7	RTH	Сигнал от датчика температуры. Напряжение на этом контакте пропорционально величине температуры внутри UPS. При увеличении температуры напряжение на контакте возрастает.
CH7	8	CH-ERR	Сигнал неисправности зарядного устройства UPS.

EEPROM

Энергонезависимая память предназначена для сохранения настроек UPS и его калибровочных значений, например, такого параметра, как Run Time. Доступ к энергонезависимой памяти микропроцессор осуществляет по последовательной шине SPI, состоящей из трех сигнальных линий (DI, DO, SK). Кроме того, на вход микросхемы памяти приходит еще и сигнал выбора кристалла (CS)

Цифро-аналоговый преобразователь

ЦАП предназначен для формирования синусоидального сигнала (на конт.2 – IOUT), который, в качестве опорного сигнала используется для создания псевдосинусоидального выходного напряжения ИБП при работе от аккумуляторов. Управление ключами инвертора осуществляется с применением модулирующего сигнала синусоидальной формы. Для получения выходной синусоиды, микросхема ЦАП питается двумя напряжениями: положительным +12В и отрицательным -8В. Форма синусоиды описывается цифровыми сигналами, передаваемыми в параллельном виде от микропроцессора. Эти данные формируются на выходных контактах 8-разрядного цифрового порта (P1.0 – P1.7) микропроцессора.

Драйверы ключей

Драйверы ключей, являются заказными микросхемами, выпускаемыми APC. Эти микросхемы формируют сигналы для управления силовыми транзисторами инвертора. Драйверы обеспечивают распределение управляющих сигналов между транзисторами «верхних ключей» и транзисторами «нижних ключей» с учетом входного модулирующего сигнала синусоидальной формы. Кроме того, микросхемы осуществляют контроль тока, протекающего через транзисторы инвертора, и обеспечивают ограничение и подстройку этого тока. Интересно отметить, что при формировании управляющих сигналов, драйверы контролируют величину и фазу выходного тока UPS, что позволяет обеспечивать фазовую подстройку управляющих сигналов, причем с учетом тока потребления нагрузки.

Инвертор

Инвертор является элементом, который обеспечивает преобразование постоянного тока от аккумуляторной батареи в переменной ток, выдаваемый в нагрузку. Инвертор строится по схеме мостового преобразователя (рис.5). Такая схема обладает наиболее высоким КПД, и позволяет создавать симметричный переменный ток в обмотке силового трансформатора. Инвертор представляет собой силовые ключи, переключающиеся в определенном порядке, что обеспечивает формирование на выходе UPS синусоидального напряжения.

Рис.5 Эквивалентная схема мостового преобразователя

В качестве силовых ключей используются MOSFET-транзисторы, включаемые параллельно для увеличения мощности (рис.6). Управление транзисторами, т.е. формирование сигналов для их переключения, осуществляется драйверами ключей, которые рассматривались выше.

Рис.6 Увеличение мощности инвертора осуществляется параллельным включением его силовых транзисторов

Для получения синусоидального выходного тока, транзисторы инвертора переключаются с высокой частотой, а время открытого состояния транзисторов регулируется драйверами по определенному закону (синусоидальному закону с частотой сети), т.е. имеет место ШИМ-модуляция. Принцип формирования переменного выходного тока синусоидальной формы мостовым инвертором демонстрируется на рис.7.

Рис.7 Формирование синусоидального (апроксимированного) переменного тока мостовым преобразователем

Интересной особенностью инверторов ИБП SU1000 является то, что им выполняется также и функция зарядного устройства. В моменты времени, когда сетевое напряжение в норме, транзисторы инвертора переключаются по определенному алгоритму, обеспечивая выпрямление и регулировку тока, заряжающего аккумуляторы. Источником энергии для заряда аккумуляторов является обмотка силового трансформатора и ЭДС, наводимая в ней при протекании сетевого тока через высоковольтную обмотку трансформатора.

Таким образом, в SmartUPS 1000 зарядное устройство, как отдельный функциональный модуль, отсутствует.

Входные/выходные фильтры и силовая цепь

Входными фильтрами обеспечивается фильтрация сетевого напряжения от самых различных помех. В составе этих цепей важное положение занимают устройства защиты от значительных всплесков напряжения (супрессоры). Такая защита реализована за счет применения металло-оксидных варисторов (MOV). Такие варисторы ставятся как на входе UPS (для защиты его элементов от бросков напряжения), так и на выходе (для защиты нагрузки, подключенной к UPS). Кроме того, к элементам защиты необходимо отнести и автоматический токовый предохранитель, находящийся на тыльной стороне UPS и обеспечивающий защиту от короткого замыкания.

Силовая часть UPS состоит из нескольких реле и силового трансформатора. Конфигурация силовой части представлена на рис.8. Как мы уже упоминали, SmartUPS 1000 представляет собой интерактивные источник бесперебойного питания, который позволяет повышать или понижать входное сетевое напряжение, обеспечивая формирование номинального выходного напряжения, не переходя при этом на питание от аккумуляторов.

Рис.8 Эквивалентная схема силовой части ИБП APC Smart-UPS 1000

Интерактивная технология обеспечивается за счет наличия на силовом трансформаторе дополнительной автотрансформаторной обмотки. ЭДС, наводимая в этой обмотке, либо суммируется с сетевым напряжением, либо вычитается из него, в результате чего и происходит либо повышение, либо понижение выходного напряжения. Коммутация этой автотрансформаторной обмотки осуществляется с помощью двух реле: реле BOOST (RY3) и реле TRIM (RY2), при переключении которых изменяется направление тока в автотрансформаторной обмотке. Принцип создания синфазного или противофазного тока в автотрансформаторной обмотке демонстрируется на рис.9.

Рис.9 Принципы повышения/понижения выходного напряжения ИБП

Кроме этих двух реле, имеются еще и другие реле:

- выходное реле RY1, которое позволяет подключить/отключить нагрузку к UPS;

- входное реле RY5, которое обеспечивает полное отключение входной питающей сети, т.е. это реле позволяет отключать и фазу, и нейтраль;

- передающее реле RY4 (реле режима работы от батареи (On Battery)). Это реле, по-сути, является дублирующим, размыкая одновременно с входным реле еще и фазовый провод.

Входное и передающее реле управляются одним сигналом от микропроцессора и поэтому срабатывают одновременно. Отключение входной сети должно происходить в обязательном порядке при каждом переходе на работу от аккумуляторов. В противном случае, UPS будет пытаться поддерживать напряжение в питающей сети, что приведет к его мгновенной перегрузке и выходу из строя силовых ключей инвертора. Именно поэтому, в SmartUPS 1000 введен специальный датчик – датчик «залипания» реле. Этот датчик позволяет избежать ситуации, при которой неисправность реле приведет к работе UPS на первичную сеть. Этим датчиком вырабатывается активный сигнал только при реальном переключении контактной группы передающего реле (рис.10). Если же после формирования микропроцессором сигнала на переключение входных реле (LIN-XFER), от датчика «залипания» не приходит сигнал подтверждения (RLY-WELD), то инвертор источника блокируется и исключается ситуация неправильной работы UPS.

Рис.10 Датчик "залипания" передающего реле

Датчики

Датчики источника бесперебойного питания позволяют микропроцессору оценивать качество как входного, так и выходного переменного тока и величину напряжений, а также измерять температуру внутри корпуса UPS. С помощью датчиков измеряются такие параметры входной и выходной сети, как величина напряжения, величина потребляемого тока, фаза тока и величина реактивной составляющей выходного тока.

Датчики напряжения и фазы тока построены с применением понижающих трансформаторов, выполняющих функции гальванической развязки между силовой первичной частью и низковольтной вторичной частью UPS (рис.11).

Рис.11 Принцип построения датчиков входного/выходного напряжения

Использование разделительных трансформаторов в значительной мере повышает надежность источника бесперебойного питания. Для контроля параметров входного напряжения сети используется трансформатор Т1, а для контроля параметров выходного напряжения – трансформатор Т2.

Датчики напряжения обеспечивают выпрямление переменного тока, создаваемого на вторичной стороне трансформаторов, позволяя проводить измерение величины действующего напряжения. Это выпрямленное напряжение далее анализируется аналого-цифровым преобразователем. Величина входного напряжения определяется по величине сигнала IN-RECT, который получается путем выпрямления синусоидального пониженного напряжения диодами D18/D19. Сигнал IN-RECT считывается микросхемой АЦП.

Сигнал фазы входного напряжения (PHAS-REF) снимается непосредственно с вторичной обмотки трансформатора T1. Далее этот сигнал преобразуется в прямоугольные импульсы транзистором Q41, после чего импульсы подаются на вход P3.4 микропроцессора.

Датчик фазы выходного тока при работе от аккумуляторов представляет собой фазовый детектор, вычисляющий рассогласование между теоретической и реальной частотой и фазой выходного напряжения, т.е. фаза выходного тока измеряется с учетом фазы синусоидального опорного напряжения, генерируемого микросхемой ЦАП. Это позволяет микропроцессору скорректировать опорную синусоиду и подстроить частоту и фазу выходного тока. Другими словами, датчик фазы выходного тока и микропроцессор вместе образуют систему ФАПЧ, позволяющую формировать правильное выходное напряжение. Сигнал фазы выходного тока (AC-OUT1) снимается непосредственно с вторичной обмотки трансформатора Т2 и через резистор R135 подается на базу транзистора Q54. Сигнал фазы опорной синусоиды снимается с выхода операционного усилителя TL064 – IС8 (конт.7) и через резистор R134 подается на базу того же транзистора Q54. Транзисторы Q54-Q56 образуют собой схему фазового детектора. Полученный сигнал фазового рассогласования подается на вход микропроцессора (конт.12 – P3.2).

SmartUPS 1000 оборудован еще и датчиком реактивной составляющей выходного тока. Реактивная составляющая определяется путем измерения тока, протекающего через конденсатор С17 (который является составным, т.е. в реальности состоит из нескольких конденсаторов). Этот конденсатор установлен параллельно выходу UPS (рис.12), и ток через него будет протекать только при подключении к UPS нагрузки с реактивным характером, которая, как известно, в одном полупериоде потребляет ток, а в следующем полупериоде возвращает его обратно в источник, т.е. в UPS. Реактивная составляющая нагрузки определяет сдвиг потребляемого тока относительно напряжения, но не влияет на форму потребляемого тока (синусоиду). Ток конденсатора С17 протекает через первичную обмотку токового трансформатора CT1. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки CT1, пропорционально току заряда С17 и подается на микросхему управления ключами инвертора. Таким образом, реактивная составляющая нагрузки изменяет режим работы инвертора.

Рис.12 Датчик реактивной составлющей выходной мщности

Еще одним датчиком является датчик тока силовых ключей инвертора, который позволяет защитить ключевые транзисторы инвертора от чрезмерно большого тока и ограничить его величину на безопасном уровне. Функцию защиты ключей выполняет микросхема драйвера IC17. А вот величина тока вычисляется путем измерения напряжения в средней точке транзисторной стойки (рис.13). Напряжение средней точки (сигналы XFMR1 и XFMR2) подается на вход микросхемы IC17 (конт.12 и конт.13)

Рис.13 Датчик тока силовых ключей инвертора

В качестве датчика температуры, измеряющего температуру внутри UPS, используется терморезистор RTH1.

Источники питания

Для функционирования всей электронной схемы UPS, необходимо наличие нескольких питающих напряжений, а именно:

1) напряжения +5В (предназначено для питания микропроцессора, АЦП и всей логики ИБП);

2) напряжения +12В (предназначено для питания операционных усилителей, ЦАП, интерфейсных цепей и проч.);

3) напряжения +24В (предназначено для питания реле);

4) напряжения -8В (необходимо для питания ЦАП, драйверов инвертора и интерфейсных цепей).

Напряжение +24В формируется аккумуляторами, и из него получают все остальные положительные напряжения с помощью линейных интегральных стабилизаторов:

- на +12В (IC4 – Low-Drop стабилизатор типа LM340T-12)

- на +5В (IC5 – классический стабилизатор LM7805).

Наиболее интересным построением отличается источник напряжения -8В. Для формирования этого напряжения используется автогенератор, создающий импульсы, которые затем выпрямляются и сглаживаются (рис.14). Использование такого источника возможно потому, что нагрузка канала -8В является слаботочной.

Рис.14 Принцип формирования отрицательного напряжения -8V

BEEPER

В различных аварийных режимах UPS издает предупреждающие звуковые сигналы. Для формирования этих сигналов используется «пищалка» (по-английски, Beeper), обозначаемая на схеме BZ1. На «пищалку» подаются высокочастотные импульсы, формируемые автогенератором, используемым для формирования отрицательного напряжения -8В. Импульсы с выхода операционного усилителя автогенератора (конт.2 – IC9) через R92 подаются на базу транзистора Q46, который уже непосредственно создает импульсный ток через BZ1. Кроме того, база транзистора Q46 соединена портом P0.5 (конт.34) микропроцессора. Этот выход микропроцессора является выходом с открытым коллектором (рис.15). Во время нормальной работы UPS этот порт открыт, т.е. на нем устанавливается «лог. 0» (импульсы автогенератора шунтируются на землю). В результате транзистор Q46 закрыт и «пищалка» не работает. При возникновении аварийной ситуации, порт P0.5 закрывается, т.е. переходит в состояние высокого импеданса. В результате, импульсы автогенератора подаются на базу транзистора Q46, и BZ1 начинает издавать звуки.

Рис.15 Принцип управления "пищалкой" ИБП APC Smart-UPS 1000

Интерфейсы

Для связи с компьютером в SmartUPS 1000 используется интерфейс DB-9, который может работать как в режиме Simple Signaling, так и в режиме Smart Signaling. Для работы через интерфейс DB-9 используется специальный соединительный кабель черного цвета (номер по фирменному каталогу №940-0024С), которым UPS подключается к последовательному порту RS-232 компьютера. Соединительный разъем на схеме обозначен J1. Назначение сигналов разъема представлено в табл.3.

Таблица 3.Сигналы интерфейсного разъема

№	Наименование	Описание
1	Shutdown Input	Входной сигнал отключения UPS. Для выключения UPS, на этом контакте должен установиться TTL-сигнал высокого уровня (+5В) или сигнал высокого уровня интерфейса RS-232 (+12 В) на время не менее 4.5 секунд. UPS выключается через 20 секунд после активизации сигнала. UPS реагирует на сигнал отключения только в том случае, если находится в режиме работы от аккумуляторов. Если UPS находится в интеллектуальном сигнальном режиме (smart signaling mode), то контакт используется для приема входных (управляющих) данных от ПК. Если UPS был вы-ключен посредством данного сигнала, то включение UPS возможно только после того, как входное сетевое напряжение вновь станет номинальным.
2	Transfer To On Battery Signal Output	Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на питание от аккумуляторных батарей. Когда UPS переходит на питание от батарей, этот сигнал изменяет свое состояние с низкого уровня интерфейса RS-232 (-12В) на высокий уровень интерфейса RS-232 (+12 В). Поэтому «нормальным» состоянием этого сигнала, т.е. когда входное сетевое напряжение находится на номинальном уровне, является состояние низкого уровня (-12В). Если используется интеллектуальный сигнальный режим (smart signaling mode), то данный контакт используется для передачи выходных данных от UPS на ПК.
3	Normally Open On Battery Signal	Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на питание от аккумуляторных батарей. Ос-новное отличие данного сигнала от сигнала на конт.2 заключается в том, что он является выходом с открытым коллектором, и поэтому может управлять цепями, работающими с сигналами уровней TTL. Сигнал Normally Open On Battery устанавливается в низкий уровень в момент перехода UPS на работу от аккумуляторных батарей. Так как это выход с открытым коллектором, то через внешние схемы к этому контакту должно прикладываться смещающее напряжение уровня TTL. Этот контакт позволяет напрямую управлять какой-либо нагрузкой, питающейся от напряжения величиной до 40 В, но величина тока нагрузки в этом случае не должна превышать значения 50 мА. Нагрузка, напрямую управляемая данным контактом не должна быть индуктивного типа.
4	Common	Общий (земля).
5	Normally Open Low Battery Signal	Выходной сигнал, показывающий, что аккумуляторные батареи разряжены. Контакт является выходом с открытым коллектором. Сигнал на контакте устанавливается в низкий уровень в том случае, если напряжение на батареях становится ниже соответствующего порога, т.е. когда батареи разряжены. Вывод совместим с сигналами уровней TTL. Кроме того, к контакту напрямую можно подключать нагрузку, питающуюся напряжением до +40В, при этом ток через контакт не должен превышать величины 50мА. Подключаемая нагрузка не должна быть индуктивного типа.
6	Normally Closed On Battery Signal	Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на работу от аккумуляторных батарей. Контакт является выходом с открытым коллектором. Отличие данного сигнала от сигнала на конт.3 заключается в том, что внутренний транзистор, управляющий данным сигналом, при переходе на питание от аккумулятора выключается, устанавливая сигнал на этом контакте в высокий уровень (в то время как транзистор, управляющий контактом 3, наоборот открывается, устанавливая свой выходной сигнал в низкий уровень).
7	Remote Turn On/Off	Входной сигнал удаленного включения и выключения UPS. UPS включается и питает подклю-ченную к нему нагрузку при установке этого сигнала в высокий уровень интерфейса RS-232 (+12 В) на время, большее чем 1 секунда. Если же к данному контакту прикладывается потенциал зем-ли (0В) на время большее, чем 1 секунда, UPS

продолжение следует...

Продолжение:

Часть 1 Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания ИБП фирмы АРС
Часть 2 Микропроцессор - Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания ИБП фирмы
Часть 3 - Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания ИБП фирмы АРС
Часть 4 - Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания ИБП фирмы АРС