Блок бесперебойного питания
категория
Схемы источников питания
В. ЛАВРИНЕНКО, Ф. РОТАРЬ, г. Волжский Волгоградской обл.
Радио, 2002 год, № 4
При эксплуатации аппаратуры связи иногда возникает потребность в автономном источнике питания (например, во время перебоев в электроснабжении). Если аппаратура работает без участия человека, то и зарядное устройство должно быть автоматическим. В таких случаях используют блоки бесперебойного питания. Об одном из таких блоков пойдет речь в этой статье.
Предлагаемый блок бесперебойного питания (ББП) разработан для автоматического резервирования питания радиоаппаратуры на удаленных объектах, не имеющих постоянного обслуживающего персонала (например, репитеров). Он может быть применен и для другой аппаратуры с напряжением питания 12 В постоянного тока. ББП обеспечивает два режима работы: основной, когда питание нагрузки осуществляется от электросети напряжением 220 В переменного тока, и аварийный, когда в отсутствии сетевого напряжения нагрузка питается от резервной аккумуляторной батареи номинальным напряжением 12 В.
Конструктивно устройство представляет собой единый корпус, в котором размещены стабилизированный блок питания напряжением 13 В, способный отдать в нагрузку ток 1...1,4 А; зарядное устройство; батарея аккумуляторов, обеспечивающая питание нагрузки в течение 6...8 ч; система управления.
Система управления в автоматическом режиме осуществляет:
— индикацию режимов работы (питание от сети, зарядка, аварийное питание от батареи аккумуляторов);
— включение ББП в работу при появлении напряжения в электросети;
— зарядку (подзарядку) батареи аккумуляторов стабильным током;
— контроль степени заряженности аккумуляторной батареи по напряжению на ее выводах;
— переключение нагрузки на автономное питание от батареи при исчезновении напряжения сети;
— аварийное отключение аккумуляторной батареи в случае ее неисправности или глубокой разрядки из-за длительного отсутствия сетевого напряжения более 6...8 ч.
В ручном режиме имеется возможность принудительного включения питания от аккумуляторной батареи.
В качестве резервного питания в ББП использовались различные варианты как отечественных, так и импортных кислотных аккумуляторных батарей. Надежными в эксплуатации показали себя кислотно-свинцовые аккумуляторные батареи, выпускаемые фирмами YACHT BATTERY CO, LTD (тип Y7-12) и YUASA CORPORATION (NP7-12) с номинальным напряжением 12 В и емкостью 7 А==точечка==ч. Они не нуждаются в периодическом пополнении электролита и постоянном обслуживании, отсутствует эффект "переполюсовки", могут длительное время (до года) храниться в заряженном состоянии.
По паспортным данным зарядное напряжение батареи аккумуляторов в резервном режиме составляет 13,5...13,8 В (при температуре 20 °С), а по разрядной номограмме при 6-часовой разрядке током 1,4 А пороговое критическое напряжение равно 11 В, ниже которого идет крутой спад — участок кривой, соответствующий полной разрядке. Более подробно о параметрах батарей можно узнать из статьи "Кислотно-свинцовые аккумуляторные батареи широкого применения" ("Радио", 2000, ╧ 12, с. 43, 44).
На основании вышеизложенного были выбраны пороги срабатывания автоматики управления: верхний порог (отключения зарядки) — 14 В (зарядное напряжение 13,8 В плюс потери напряжения в подводящих проводах и контактах от выводов батареи) и нижний порог (аварийного отключения аккумуляторной батареи для предотвращения глубокой разрядки) — 11 В.
Схема устройства
Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)
При включении тумблера SA1 напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает на выпрямители VD1—VD4, VD5. Срабатывает реле К1, а его контакты К1.1 включают цепь автоматики управления. Выпрямленное напряжение стабилизируется стабилизатором на микросхеме DA1. Чтобы получить требуемое значение выходного напряжения в цепь общего провода микросхемы DA1 включен стабилитрон VD6. Для увеличения нагрузочной способности стабилизатора служит эмит-терный повторитель на транзисторе VT1. Светодиод HL2 зеленого цвета сигнализирует о наличии выходного стабилизированного напряжения.
Устройство каждые 12 ч автоматически включает зарядку батареи. Если она заряжена, процесс зарядки прекратится быстро, как только напряжение достигнет 14 В. Такой режим позволяет держать батарею заряженной постоянно.
Таймер состоит из мультивибратора на элементе DD1.1 и счетчика DD2. Через 12 ч после начала работы устройства на выходе М счетчика возникнет высокий уровень, а на выходе элемента DD1.2 — низкий. Триггер на элементах DD3.5, DD3.6 переключится в состояние, при котором на выходе DD3.6 высокий уровень. Одновременно на выходе элемента DD3.1 возникнет импульс, который сбросит счетчик DD2.
Высокий уровень с выхода элемента DD3.6 открывает транзистор VT3. Включается стабилизатор зарядного тока на транзисторе VT2. При прохождении тока через светодиод HL1 на нем падает напряжение, которое используется как образцовое. Стабилизированный зарядный ток поступает на батарею аккумуляторов GB1. Светящийся светодиод HL1 желтого цвета служит одновременно индикатором процесса зарядки.
Компараторы выполнены на ОУ DA2.1 и DA2.2. На резисторе R8 и стабилитроне VD9 собран источник образцового напряжения для компараторов. Оно не зависит от напряжения батареи. Пороги срабатывания автоматики устанавливают подстроечными резисторами R10 и R13 (нижний и верхний порог соответственно).
При напряжении на батарее 14 В на выходе ОУ DA2.2 возникает низкий уровень. Триггер на элементах DD3.5, DD3.6 сбрасывается, и на выходе DD3.6 появляется тоже низкий уровень. Транзистор VT3 закрывается, и зарядка аккумуляторной батареи прекращается.
Если пропадет напряжение в электросети, контакты реле К1.1 разомкнутся быстрее, чем исчезнет напряжение на выходе стабилизатора. Положительный перепад напряжения поступит на дифференцирующую цепь C7R17, и на выходе элемента DD1.4 возникнет импульс низкого уровня. Триггер на элементах DD3.3, DD3.4 переключится, и на выходе DD3.3 появится высокий уровень. Откроется транзистор VT4, сработает реле К2 и своими контактами К2.1 подключит аккумуляторную батарею GB1 к нагрузке. Светодиод HL3 красного цвета сигнализирует о переходе на аварийный режим питания от батареи аккумуляторов.
При появлении напряжения в электросети контакты реле К1.1 снова замкнутся. Низкий уровень через диод VD15 переключит триггер DD3.3, DD3.4 таким образом, что на выходе элемента DD3.3 будет низкий уровень. Транзистор VT4 закроется, реле К2 переключится в исходное состояние, и устройство перейдет в основной режим. Одновременно дифференцирующая цепь C6R16 сформирует импульс низкого уровня на входе элемента DD1.3. Этот импульс, пройдя через элементы DD1.3 и DD3.2, переключит триггер (DD3.5, DD3.6), на выходе элемента DD3.6 возникнет высокий уровень. Транзистор VT3 откроется, и начнется процесс зарядки аккумуляторной батареи до достижения 12-часового цикла.
В аварийном режиме работы ББП система управления защищает батарею аккумуляторов от полной разрядки, когда в результате длительного отсутствия напряжения в электросети батарея разряжается и напряжение на ней снижается до 11 В. В этом случае компаратор срабатывает по нижнему порогу, на выходе ОУ DA2.1 возникает низкий уровень, который через диод VD16 воздействует на триггер DD3.3, DD3.4. Транзистор VT4 закрывается, и контакты реле К2.1 переходят в исходное состояние. Питание нагрузки полностью обесточивается. Когда появится сетевое напряжение, нагрузка будет питаться от стабилизатора.
Диоды VD1 —VD4 можно заменить на любые из серии КД202, а также серий КД226, КД228 и др. на ток 2...3 А; диод VD8 —КД202А или аналогичный. Диоды VD11—VD17 — любые универсальные, например, серий КД522, Д220, Д310. Транзистор VT1 можно применить серий КТ817, KT819, a VT2 — серии КТ818.
Микросхему DA2 вполне заменят два ОУ общего применения, например, К140УД708. Вместо микросхемы DD3 (шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью и стробирова-нием) можно применить К561ЛН2, также учитывая различия в цоколевке.
Реле К1 — герконовое РЭС64А (паспорт РС4.569.724) с одним замыкающим контактом Можно использовать практически любые герконовые реле, подобрав резистор R1 для гашения избыточного напряжения. Реле К2 — импортное малогабаритное на напряжение 12 В и ток срабатывания 30 мА.
Можно использовать реле с напряжением 9...12 В, током срабатывания до 50 мА и с разрывной способностью контактов не менее 3 А, например, РЭС9 (паспорт РС4.524.200, РС4.524.201), РЭС32 (паспорт РФ4.500.341), РЭС47 (паспорт РФ4.500.409).
Трансформатор Т1 должен обеспечивать напряжение на вторичной обмотке 13 В при токе, достаточном для нагрузки.
ББП смонтирован в пластмассовом прямоугольном корпусе размерами 95x135x305, включая прямоугольную крышку высотой 40 мм (рис. 2). В боковинах крышки просверлены вентиляционные отверстия.
Общий ребристый теплоотвод площадью 100 см² закреплен снаружи на заднем торце корпуса. Транзисторы VT1, VT2 и интегральный стабилизатор DA1 установлены на теплоотводе на изолирующих прокладках из ленты фторопласта. Батарея аккумуляторов расположена в передней части корпуса и отделена от рядом стоящего трансформатора эластичной прокладкой из резины. Все остальные радиоэлементы, в том числе и реле, смонтированы на монтажной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 75x250 мм, прикрепленной к внутренней части крышки. Фольгированный слой тонким резаком поделен на изолированные площадки 5x5 мм для монтажа радиоэлементов (размеры площадок для микросхем — 2,5x5 мм). Соединения между элементами и площадками выполнены проводниками.
При налаживании ББП рекомендуется в первую очередь установить величину выходного напряжения подбором стабилитрона VD6. Затем устанавливают ток зарядного устройства подбором резистора R2. Ток через светодиод HL1 не должен превышать максимально допустимый (подбирают резистором R4). Опыт эксплуатации аккумуляторных батарей показал, что оптимальным зарядным током является ток, достаточный для подзарядки. Он численно равен 0,05 от емкости батареи, т. е. 0,35 А.
Настройку порогов срабатывания компараторов удобно производить с помощью цифрового мультиметра и осциллографа. Для этого нужно точку соединения резисторов R8, R9 и R12 временно отключить от устройства и подсоединить к внешнему регулируемому источнику питания. Затем включаем ББП и устанавливаем напряжение внешнего источника равным 14 В (по цифровому мультиметру). Контролируя выход ОУ DA2.2 вольтметром или осциллографом, вращением движка подстроечного резистора R13 добиваемся низкого уровня. Аналогично, установив напряжение внешнего источника равным 11 В (соответствует нижнему порогу срабатывания компаратора), добиваемся низкого уровня на выходе ОУ DA2.1, регулируя резистор R10. После установки порогов срабатывания восстанавливаем исходное соединение.
Для надежной устойчивой работы герконового реле К1 параллельно его обмотке включен конденсатор С2 (подбирают опытным путем).