Как я делал линейно-интерактивный ИБП (Часть 1)

Однажды возникла задача разработать линейно-интерактивный ИБП. Это фактически самый простой тип ИБП c выходом «модифицированный синус», но дополнительно имеющий возможность регулировать выходное напряжение при изменении входного. Что-то вроде простейшего стабилизатора напряжения. Функция простоя, но довольно полезная, позволяющая не переходить на питание от инвертора при кратковременных провалах в сети. Позже напишу об этом подробнее, а пока вот этой первой статьёй я хотел бы открыть небольшой цикл. Всех заинтересованных прошу под кат.

Часть 1
Часть 2
Часть 3

Введение


Начнём со структурной схемы ИБП. Она приведена ниже:



В общем-то классика жанра. Входное напряжение через реле K3, K1, K2 и K4 проходит на выход и питает нагрузку. При этом оно также поступает на основной трансформатор ИБП, питает схему и заряжает аккумулятор. Зарядное устройство намеренно не выделено отдельным блоком, потому его функции выполняет инвертор, но об этом будет рассказано подробнее в следующий раз.

Реле K1 и K2 выполняют вышеописанную функцию автотрансформатора. Включаясь в разных комбинациях, они эксплуатируют трансформатор ИБП в режиме авторансформатора и регулируют выходное напряжение.

На вышеприведённом рисунке показано состояние реле при номинальном напряжении в сети.
При пониженном напряжении включение будет такое:



А при повышенно вот такое:



Как видите, пока всё довольно просто. Но, чтобы переключать эти реле, необходимо знать величину входного напряжения. Таким образом мы плавно переходим к следующей части — измерениям.

Измерение входного и выходного напряжения


Для измерения используем вот такую незамысловатую схему (промоделирована в MicroCap, потом полностью проверена в «железе»):



V4, V5 — это источники, имитирующие входное и выходное напряжение.

На операционниках собраны простые усилители. При помощи R11, R12 формируется напряжение смещения величиной примерно в 1,5В.

Резисторы подобраны таким образом, чтобы при напряжениях 270В размах на выходах операционников составлял 2,5 В. Больше такой дешёвый операционник как LM358 выдать не сможет, да нам и не нужно.

Эпюры сигналов показаны ниже:



В вышеприведённой схеме есть одна хитрость. Это использование конденсатора C1. Давайте посмотрим на эпюры напряжений, если его исключим.

Это ситуация, когда есть входное напряжение и есть выходное:



Пока отличий от схемы с конденсатором нет. Но давайте представим, что V5 — это входное напряжение. И тут вдруг бац, оно пропадает. Мы работаем от инвертора и у нас есть только выходное напряжение (про модифицированную синусоиду пока забываем, сейчас это неважно). В результате получаем вот такие эпюры:



Ничего себе! Операционник теперь выдаёт нам совсем другое напряжение, хотя по факту ничего не изменилось! А всё почему? Потому что отсутствует связь по переменному току, т.к. нет конденсатора!

Кто-то может сказать, а зачем вообще городить эту цепь из параллельно соединённых конденсатора C1 и резистора R13? Всё для повышения уровня защиты. Ведь у нас узел измерения гальванически связан с входной сетью. Резистор R13 уменьшает ток. Сажать фазу или ноль (неизвестно каким образом пользователь воткнёт вилку в розетку) с цифровой землёй крайне опасно. А наличие резистора с конденсатором уменьшает ток до 0,5 мА.

Далее хотел бы показать осциллограммы сигналов после высокоомных резисторов R1 и R4:



И на выходе операционников:



Как видно, получаем хороший чистый сигнал пригодный для дальнейшей непосредственной оцифровки.

В следующих статьях поговорим об измерении выходного тока, а также о построении инвертора. Там будут использованы тоже крайне интересные решения!
Share post

Comments 55

    0
    Операционник теперь выдаёт нам совсем другое напряжение, хотя по факту ничего не изменилось!

    Ну всё правильно он выдаёт, 1,57В с почти нулевой амплитудой пульсаций (автомасштабирование микрокапа вас наверное ввело в заблуждение). Это напряжение соответствует напряжению на делителе R11/R12.
      0
      С автомасштабированием как раз всё понятно. 1.57 там просто как постоянный уровень (Micro-Cap рисует синусоиду из-за своих внутренних расчётов с большой точностью).
      Я имел в виду, что напряжение на выходе операционника X2 стало вдруг 2.015 В вместо необходимых 2.441 В при отключении источника питания V5. Ничего, понятное дело, загадочного тут нет, всё работает как положено. Просто я лишний раз акцентировал внимание на необходимость конденсатора C1.
        0
        напряжение на выходе операционника X2 стало вдруг 2.015 В вместо необходимых 2.441 В при отключении источника питания V5

        Ааа, вот вы про что. Тогда попробуйте смоделировать оба варианта (с отключенным и подключенным V5) на более продолжительном временном отрезке, например 10 секунд, возможно вас ждёт что-то интересное)
          0
          Естественно, моделировал! Там всё то же самое. Более того, данная схема в «железе» уже собрана и проверена. Её работа полностью соответствует результатам моделирования. За это я люблю Micro-Cap — точность моделирования у него на высоте!
            0
            А скриншота у вас не завалялось?
    +1

    Мне понравилось, жду продолжения.

      0
      Сейчас как раз его готовлю! :-)
      +1
      Вот читаю статьи про ИБП и меня не покидает мысль, что все это неправильно. Большинство современных приборов питаются от постоянного 5… 24В БП. А нам все еще предлагают преобразовывать 220В в 12 В потом обратно в 220В и запитать прибор у которого вероятно имеется хороший БП работающий от 170 до 250В и преобразующий его в те же 12В.

      Хочу ИБП как для ноутбуков. Есть такие? Или как сделать такой самому с «умной» подзарядкой АКБ (не через простой резистор)?
        0
        Да, я тоже постоянно об этом думаю. Большинству техники действительно переменное 220 В не нужно. Но в то же время у них отсутствует прямое подключение к постоянке, т.е. прибор требуется доработать. В Интернете неоднократно встречал информацию, что в мире уже поднимаются вопросы о том, чтобы заводить в каждую квартиру сразу линию с каким-то постоянным напряжением. Наверное когда-то это действительно произойдёт. А может и производители техники будут выпускать модели, работающие сразу от двух типов сетей.

        Например, отечественная фирма ОВЕН, выпускающая промышленные контроллеры, производит такие приборы. Они могут питаться как от 24В постоянки, так и от 160 до 280В (ну около этого) переменки.
        Я сам пробовал собирать на базе микросхем LinkSwitch такой источник питания. Он исправно работал при напряжении от 18 до 250В (постоянки и переменки).
          0
          Низковольтное в квартире слабооправдано.
          Но в случае с комп.БП весьма нелогично гонять с ИБП в синус 220 потом обратно, хотя гораздо проще предусмотреть ввод в БП промежуточного напряжения с ИБП напрямую.
            0
            Вопрос только в том, чтобы производители БП делали соответствующий низковольтный вход. Тогда весь такой ИБП можно свести с AC-DC с регулировкой выходного напряжения и резервному аккумулятору. Ну, если Li-ion использовать, то ещё и зарядное устройство. Конечно, это было бы в разы проще. Собственно, в телекоммуникациях поэтому наверное и принято питаться от 48В, чтобы исключить потери на преобразованиях напряжения.
              0

              Что на счёт унификации? В комп конечно достаточно 12в. И БП с DC входом есть — не проблема если есть потребность.
              Но кроме компа нужно ещё что то подключить: телефон, монитор и т.п. Вводим стандарт 12в? Но остаются преобразователи внутри на 3.3в, 5в и т.д…
              Так что не нужно плодить сущности. 220VAC можно передать далеко, хватает всем, потери на преобразование не велики.
              Если ИБП рядом с прибором — можно совместить его сразу с БП. Касательно компьютера — взять плату питания от DC, навестить к ней схему ИБП, разместить это всё в стандартном корпусе, врезав клеммы для АКБ.

                0
                Смотря какие цели преследуются. Например, если в офисе требуется организовать резервное питание, то эффективнее было бы проложить отдельную линию с резервными аккумуляторами, например, на 48В. От неё запитать потребителей. При этом в зависимости от количества этих потребителей очень сильно экономим на потерях.

                Дома ситуация другая. Мало кому нужно держать постоянно включенный сервер, поэтому тут может быть желание повысить эффективность за счёт перевода того же освещения на постоянку. То есть вместо кучи преобразователей в каждой лампочке использовать, например, один на всю квартиру. В масштабах самой квартиры или дома, возможно, выгода будет небольшая, а в масштабах страны очень даже нормально!
                  0

                  Для офиса не пойдет. Только для маломощных нагрузок типа аварийного освещения/сигнализации какой-нибудь. В стометровой линии на 48В будут потери соизмеримые с потерями на преобразованиях DC48-AC220-DC12.

                    0
                    1. Всё зависит от суммарной потребляемой мощности и сечения проводов.
                    2. Зачем 100 м линия, если надо запитать 2-3 в офисе, а то и вообще только сервер и сетевое оборудование?

                    Здесь вопрос исключительно в удобстве. Современные DC-AC имеют весьма низкий КПД. Хорошо, если там 70% получится, обычно даже меньше. Поэтому некоторые вещи питать от постоянки проще и эффективнее.
                      0
                      Вам прийдется проектировать сеть с проводами максимальной нагрузки. Тоесть для офиса те же 2кватт на линию, но для 48 вольт будет в 6+ раз дороже(в 5 раз толще провод 48в + 220в отдельно).
                        0
                        Да, провода выйдут дороже, но зато сам ИБП обойдётся в копейки. Аккумуляторы недорогие, AC-DC на 48В тоже стоит недорого. А вот обычный ИБП на такую мощность будет стоить десятки тысяч рублей. И проработает при этом недолго.
                          0
                          Ну мы говорим о проводах вместо 4квадратов меди в 20 квадратных мм.
                          Это уже совсем другой по сложности монтажа и соединений проект.
                          Вот у меня в даче на 36 м2 медного провода 150метров зарыто. Прикиньте стоимость. ИБП даже топовый будет дешевле.
                          Я понимаю, что у вас потребители мелкие, но считать то вам все равно прийдется по максимально возможным подключениям в эту розетку.
                          Плюс вам прийдется взять нестандартные розетки, иначе будут истории включения 220в чайников в 48в сеть, что приводит к нереальным токам.
                            0
                            Для 2 кВт хватит сечения в 6 кв. мм. Это обычный провод.
                              0
                              2000/48=41А, плюс четыре провода проложенных вместе(еще 220в), это 6кв.мм минимум. Если розеток больше 2 в группе, то еще на 1.5-2.
                              Это подводка. А узел распределения на 4-5 таких линий(в небольшом офисе их 10-100)?
                              Честно говоря, уже в офисе размером 10х10м провода будут стоить дороже, даже если удорожание 2х(а оно 4-10х).
                                0
                                В итоге совершенно нормальная разводка
                                  0
                                  Вы хоть раз 6кв мм тянули-коммутировали? Или, что немаловажно, покупали?
                                    0
                                    Естественно, тянул и не раз. Вообще не вижу с этим проблем!
                                    Кроме того, Вы рассматриваете какой-то надуманный крайний случай. Реально ИБП на 48В будет располагаться в 2 м от нагрузки. Всё таки сервера и коммутационное оборудование принято располагать в стойках или шкафах.
            0

            Вы вместо потерь на преобразовании получите потери на сопротивлении.
            Низковольтную постоянку в квартиру? От какого места предлагаете? Даже если от электрощита в подьезде — падение напряжения будет существенным. Или предлагаете 16 квадрат прокладывать?
            И чем конкретно это будет отличаться от преобразователя в розетке?

          +1
          Автор, а какие детали отвечают именно за выравнивание напряжение, без включения инвертора?
          Интересуюсь не праздно, хочу узнать, реально дорого вытягивать из низкого напряжения 170В в стандарт 210В-230В, и понижать высокое 275В на стандарт. Или это просто не учитывается разработчиками ИБП, как не существующее, а если нужно, то сделали бы и не слишком дороже получилось бы?

          Просто у меня в деревне, такое напряжение. В секунду — (в одну секунду времени) напряжение меняется от 11 до 36 раз, амплитудой от 170 до 275 вольт. Не в полную амплитуду конечно, а полчаса идет полоса от 170 до 190 вольт, потом может пойти полоса от 250 до 275 вольт и так постоянно. Всего пару часов в день, напруга находится скачками между 198 и 230 вольт.

          Если кто- то не понимает, чем прикольно такое напряжение, то расскажу: никакой выпрямитель, который находится в среднем ценовом диапазоне, до 150 долларов, (APC 650Ваттный например), или ИБП вроде APC 750VA, 1200VA, не в состоянии долго удерживать эти скачки. Мало того, что их реле постоянно щелкают металлическим звуком как пулемет (помним о смене 11-36 раз в секунду напруги, которая переключает ИБП на инвертор и обратно на трансформатор), так они еще и в определенный момент виснут с выдачей постоянного писка, и их нужно отключить от сети и снова включить, чтобы они начали работать.

          Если же поставить в настройках ИБП замедленную реакцию на переключение инвертора — то аккумулятор просто высаживается за полчаса и ИБП отключается. Выпрямитель понятное дело просто выключает нагрузку периодически, что тоже не есть гуд и также вылетает с писком периодически и требует выключения/включения.
          Брать аппарат за полторы тысячи долларов как-то не очень хочется, вот я и интересуюсь: какие детали, и на сколько дорого смогут выпрямить мой пулемет?

          P.S>
          Зная такое УГ своей напруги, я хотя бы холодильник купил от самсунга с супер блоком питания и защитой — он не отключается при 140В и по верху 400В ему не страшны, поэтому он напрямую работает от розетки у меня. Правда, когда идет полоса 160В, он плохо морозит, не хватает энергии (да и пылесос не сосет, микроволновка не греет, в общем счетчик крутит, а приборы не работают как надо).
            0
            Рискну предположить, что вам поможет ИБП с двойным преобразованием. Новые такие бесперебойники стоят атомных денег, но б/у (разумеется без батарей) можно найти буквально за копейки.
              0
              > ИБП с двойным преобразованием
              Или хотя бы стабилизатор с PFC и чистым синусом на выходе, был обзор кажется у автора на страничке с тестом led-лампочкек. Пылесос и тем более микроволновку он конечно не утащит
                0
                Совсем не атомных, по цене сравнимы со стоимостью нового компьютера, ноутбука или просто топового процессора.
                  0
                  Ну что вы, топовый процессор гораздо дороже!)
                    0
                    Вы правы, за 27 тыс. руб. топовый процессор не купить, а ИБП с двойным преобразованием на 900 Вт
                    уже можно :)


                  0
                  С атомными деньгами я бы взял электронный стабилизатор, как и написал выше (от $1500), там нет щелканий никаких.
                    0
                    Гуглить «инверторный стабилизатор сетевого напряжения». Цены стартуют от 9800р.
                  0
                  Как я писал в начале статьи, в данном ИБП реализован режим не плавной стабилизации, а скачкообразной. То есть он позволяет при понижении напряжения до 160В вытягивать его вверх и при превышении до 280В опускать вниз. ИБП без этого режима в таких случаях тут же переходят на инвертор, разряжая аккумулятор.
                  Но даже такой режим весьма непростой. При резких скачках с одной стороны хочется минимизировать переключения за счёт фильтрации, а с другой стороны нужно всё таки быстро реагировать на крайние значения. Сейчас реализован некий средний вариант, в работе он показал себя неплохо, но в то же время есть ещё над чем поработать.
                    0
                    Так а по деньгам то что? Вытягивать такие показатели — нужны дорогие детали для схемы, или просто никто не делает, так, как редки такие случаи напряжения?
                      0
                      Видимо просто спроса особого на такие вещи нет. В телекоммуникациях 48В повсеместно используется. Там и системы ЭПУ готовые имеются. Даже кондиционеры на 48В выпускаются. А вот для обычных офисных применений пока стандарт, видимо, 230В.
                      У нас недавно тоже задача была реализовать ИБП для одной нашей системы, где в составе предусматривался компьютер. Заказчику требовалась бесперебойная работа в районе 2-3 часов.
                      В результате сделали следующим образом. Собственную электронику запитали от аккумулятора на 12В. А в качестве компьютера использовали ноутбук
                        0
                        Ага, понял, спасибо за разъяснение. Вот жеж беда, хоть отписывайся китайцам, чтобы создали индивидуально для меня плату :)

                        А кстати, на сколько сложно на существующей плате того же например APC 750VA, изменить эти показатели у него (он сейчас вытягивает с 175В-> и 255В <-). Можно ли несложными переделками увеличить эти показатели до нужных мне характеристик?
                          0
                          Эти параметры определяются трансформатором ИБП. Я о нём скоро писать тоже буду.
                          Там простое ответвление от первичной обмотки для реализации режима автотрансформатора.
                    0
                    Может в Вашем случае стоит попробовать стабилизатор напряжения?
                      0
                      А я не написал о них разве в комменте? Что они также виснут.
                        0
                        Теперь вижу, что Вы там описАлись и назвали его «выпрямителем», а поскольку в этом и следующем абзаце уже упоминается UPS, то и слово «выпрямитель» я отнес к нему.
                      0

                      Поставьте стабилизатор электромеханический. За 200 баксов можно на 10КВт купить. Но можно и релейный.
                      Если ИБП, то вам нужен исключительно online (с двойным преобразованием).

                        0
                        Не 200 а $550-$700 и его придется ставить на чердак, чтобы пулемет железных щелчков не слышать, и то не факт. Хочу как то проверить сначала, вдруг потом спать невозможно будет из-за щелканья, там релюхи то посерьезнее чем в ИБП-шках и щелкают как по наковальне (или вообще в отдельную будку выносить на улицу куда-то). Сейчас у меня именно этот вариант на рассмотрении, других, более дешевых уже не осталось.
                          0

                          Я вам написал про электромеханический — это тороидальный трансформатор с подвижным контактом. Там нет щелчков, только небольшой шум электродвигателя при изменении напряжения. На 10 КВт например Ресанта можно за 13 тр купить.
                          Но даже если релейный — вы же не под подушку его собираетесь положить? Откуда такие требования к шуму? В закрытом шкафу или отдельном помещении уровень шума релейных стабилизаторов вполне приемлемый.

                            0
                            В отдельном помещении — вопрос бы даже не стоял, но у меня нет отдельного помещения, а это деньги. У меня вариант на чердаке, но боюсь через потолок слышно будет (хочу как то проверить).
                            На счет электромеханического — может новые какие появились, вы точно своими глазами видели и слышали такой? Просто я такой проверял уже — сам подвижный контакт понятно едет шурша, но переключение, там такая же релюха стоит, которая так же щелкает перед тем как начинает ехать контакт. Именно эта релюха и щелкает как пулемет (я же говорю никто даже в мыслях не понимает что за напруга и думают что мне жужжание мешает :) ).
                            ЛЮБОЙ выпрямитель, или ИБП в моей сети, ПЕРЕКЛЮЧАЕТ СЕБЯ от 3-х до 11-ти раз В СЕКУНДУ РЕЛЮХОЙ!
                            Ни о каких последующих действиях речи не идет, едет ли там контакт, или каскад пониажет/повышает — сама релюха бьет как по наковальне 11 раз в секунду!
                              0

                              Во первых, в электромеханических не должно быть реле. Я не встречал, в том числе в Ресанта на 10КВт
                              Во вторых, с вашими требованиями под шуму выносите стабилизатор на улицу или обкладывайте шумоизоляцией.

                        0

                        в России Ресанта производит много стабилизаторов напряжения, довольно бюджетно и неплохо.
                        В большом частном доме с вводом трехфазного пришлось монстрячить схему балансировки нагрузки. Часто по фазам бывает 160-180-250, так что перекидывается электроникой основной фокус потребления на менее нагруженную фазу.

                          0
                          Дело не в стабилизаторе — вы не уловили суть. Это всё из-за того, что никто даже представить не может себе такую напругу. Вы представляете себе пулемет железных щелчков реле? И так круглые сутки почти, вы спать как собираетесь?
                          Возьмите вилку стальную и быстро постучите ей по холодильнику, тогда немого будет понятно как работают ЛЮБЫЕ стабилизаторы, в которых механические релюхи.

                          А чисто электронные стабы стоят, как я и написал, от 1500 долларов и дальше, и брать за такие деньги их у меня нет никакого желания.
                            0

                            Еще раз повторю — вы под подушку их кладёте? Откуда такие претензии к уровню шума?
                            1500$ стоят ИБП двойного преобразования на 6-10КВт — они вас спасут. Хотя шум вентиляторов там гораздо больше и постоянней чем от щелчков реле.

                              0
                              Еще раз повторю — возьмите вилку и постучите по холодильнику, а потом идите сюда писать о том, — нормально-ли будет вам спать под это?
                              Вы даже в страшном сне не представляете, что такое 11-36 скачков напруги в СЕКУНДУ. (ИБП понятное дело в секунду щелкает меньше от 3 до 11 раз)
                            • UFO just landed and posted this here
                                0
                                Как вариант, на улице — то понятное дело, что уже не будет слышно, а я предполагал на чердаке ящик установить железный — но вот боюсь, что будет слышно через потолок.
                                0

                                Ну если у вас жестяные стены и чуткий слух, то вас спасёт только инверторный стабилизатор. Или инверторный ИБП.
                                И конечно ваши требования отразятся на стоимости оборудования.
                                Нет желания брать за 1500$ — снижайте требования.
                                В конце-концов всегда можно пристроить к дому вводный электрощитовой шкаф.

                            0
                            Кто-то может сказать, а зачем вообще городить эту цепь из параллельно соединённых конденсатора C1 и резистора R13? Всё для повышения уровня защиты. Ведь у нас узел измерения гальванически связан с входной сетью. Резистор R13 уменьшает ток. Сажать фазу или ноль (неизвестно каким образом пользователь воткнёт вилку в розетку) с цифровой землёй крайне опасно. А наличие резистора уменьшает ток до 1-2 мкА.
                            Беда в том, что при подключенном параллельно резистору конденсаторе 10 мкФ, говорить об ограничении тока в 1-2 мкА уже не приходится.
                            Далее хотел бы показать осциллограммы сигналов после высокоомных резисторов R1 и R4:
                            Если Вы это измеряли на включенной схеме, то в чем смысл измерения виртуального нуля, коим является инвертирующий вход ОУ в схеме с замкнутой обратной связью?

                            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.