МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

Защиту офисного оборудования от нестабильности питающей сети обеспечивают применением самых разнообразных устройств – от простейших сетевых фильтров до сложнейших систем бесперебойного питания класса ON-LINE. Среди всех устройств защиты наибольшее распространение получили резервные и интерактивные источники бесперебойного питания. Однако зачастую применение UPS можно считать избыточным и в этих случаях стоит обратить внимание на такие устройства, как автоматические регуляторы напряжения, которые позволяют обеспечить достаточно стабильное выходное напряжение, не используя для этого дорогих и тяжелых аккумуляторных батарей. Однако эти регуляторы не являются простыми фильтрами, а представляют собой достаточно сложные устройства с микропроцессорным управлением.

 

«Автоматические регуляторы напряжения серии Line-R производства APC обеспечивают защиту электронного оборудования от повышенного и пониженного напряжения в электросети. Флуктуации напряжения, если их не корректировать, приводят к ухудшению характеристик и, возможно, к преждевременному отказу электронных компонентов. Устройства серии Line-R не только приводят напряжение к безопасному диапазону, но и обеспечивают защиту от всплесков напряжения – даже вызванных ударами молнии.» Эта выдержка из описания, представленного на официальном сайте APC, позволяет достаточно точно понять назначение устройств класса Line-R, а также понять к какому типу оборудования они относится.

Итак, устройства этого типа получили в технической литературе несколько названий: стабилизаторы, автоматические регуляторы напряжения, кондиционеры питающего напряжения. Но среди отечественных потребителей и технических специалистов чаще всего используется термин «стабилизатор». Однако, несмотря на определенное единодушие в терминологии, имеются весьма разнообразные мнения о принципах работы этих устройств, их схемотехнике и выполняемых функциях, и все эти разногласия вызваны отсутствием достоверной информации. Конечно же, стабилизаторы, выпускаемые различными производителями, будут иметь разное функциональное оснащение, разные характеристики и разные принципы стабилизации. Наш же обзор затрагивает только лишь устройства фирмы APC, достаточно распространенные на отечественном рынке, но по некоторым мнениям не являющиеся в этом классе лучшими устройствами. В классе стабилизаторов напряжения, с APC успешно конкурируют (а по некоторым экспертным оценкам, и значительно превосходят их), итальянские VARAT'ы и отечественные «Штили», которые, по мнению многих специалистов, является более привлекательным, чем устройства APC. Кроме того, неплохие стабилизаторы выпускаются в Туле, Воронеже (устройства ЗАС), Пскове. Но вернемся, все-таки, к Line-R от APC.

Устройства Line-R выпускаются APC в двух вариациях: на 600VA и на 1200VA. Принципиальными отличиями этих устройств являются лишь мощность и габариты трансформатора, электронная же часть и схемотехника устройств остается неизменной. На сегодняшний день выпускаются модели LE600I и LE1200I, которые заменили собою уже снятые с производства LR600 и LR1250 (однако стоит заметить, что схемотехника новых устройств не претерпела каких-либо кардинальных изменений, и они носят лишь косметический характер).

Стабилизаторы напряжения Line-R обеспечивают формирование на своем выходе допустимого по номиналу напряжения при условии, что сетевое входное напряжение находится в диапазоне от 150В до 300В. В реальности, спецификациями на Line-R определяется диапазон входного напряжения от 162В до 299В, но это опять же – в общем. Дело в том, что на задней панели регулятора расположен трехпозиционный переключатель, с помощью которого задается базовое значение выходного напряжения: 220В, 230В или 240В. Для каждого из этих значений имеется свой диапазон допустимых входных напряжений:

- для 220В это 160В – 270В;

- для 230В это 166В – 280В;

- для 240В это 170В – 290В.

С учетом допусков и погрешностей при измерении входных напряжений, мы и получим такой диапазон, как 162...299 В. Для российского рынка предусмотрено выходное напряжение 230В.

В моделях Line-R серий LR такие переключатели отсутствуют, и для них специфицируется тот диапазон входных напряжений, при котором выходное напряжение имеет отклонение 5% от номинального.

У стабилизаторов семейства LR с номинальным выходным напряжением 230В величина напряжения на выходе должна иметь значение от 219В до 242В. При этом входное напряжение стабилизаторов должно находиться в диапазоне от 182В до 287В.

Устройства Line-R оснащены световой индикацией, отображающей отклонения входного напряжения от номинального значения, а, кроме того, имеется и звуковая сигнализация, включающаяся, когда входное напряжение значительно выходит за допустимые пределы и когда появляется опасность отказа нагрузки, подключенной к Line-R. Так, в частности, для устройств семейства LR в документации указано, что звуковой сигнал включается, когда напряжение сети ниже 162В или выше 299В. Но при всем этом, Line-R не способны отключить нагрузку от сети, а только лишь обеспечивают понижение или повышение сетевого напряжения, сопровождая это предупреждающими сигналами, т.е. многие потребители ожидают от этих устройств слишком многого. Но все-таки, несмотря на зачастую завышенные ожидания, применение стабилизаторов действительно позволяет обеспечить очень хорошую защиту офисного и бытового оборудования. Кроме того, достаточно часто пользователи обеспечивают комбинированную защиту своего оборудования, последовательно включая стабилизатор и источник бесперебойного питания. Это позволяет снизить количество переключений UPS на работу от аккумуляторов, что положительно сказывается на рабочем ресурсе батарей.

Схемотехнику стабилизаторов семейства Line-R мы изучим на примере устройств семейства LR. Эти устройства обеспечивают двухступенчатое повышение и двухступенчатое понижение входного напряжения и имеют на лицевой панели пять световых индикаторов, отображающих текущий режим работы, т.е. диапазон входного напряжения и ступень повышения/понижения напряжения (рис.1).

Рис.1 Внешний вид стабилизаторов APC Line-R

Блок-схема стабилизаторов семейства LR представлена на рис.2. Основными элементами стабилизатора являются автотрансформатор и микропроцессор.

Автотрансформатор состоит из силовой обмотки и двухсекционной дополнительной обмотки. Силовая обмотка включена в фазную линию, т.е. ток нагрузки протекает через эту обмотку. Дополнительная обмотка включена между фазой и нейтралью и ток через нее протекает только при переключении реле. При синфазности токов дополнительной обмотки и силовой обмотки выходное напряжение увеличивается. Если же токи силовой и дополнительной обмотки находятся в противофазе, то выходное напряжение уменьшается. Так как дополнительная обмотка является двухсекционной, то в каждом из случаев можно подключать либо одну, либо две секции этой обмотки (т.е. изменять ее длину), что и обеспечивает двухступенчатое регулирование выходного напряжения.

Рис.2  Блок-схемма стабилизаторов семейства APC Line-R

 

Микропроцессор, являясь однокристальной микро-ЭВМ, в соответствии с внутренней управляющей программой, обеспечивает выполнение следующих функций:

- анализ величины входного напряжения;

- анализ величины выходного напряжения;

- анализ частоты питающей сети;

- формирование сигналов для коммутации реле;

- управление светодиодами-индикаторами режима;

- формирование звукового аварийного сигнала.

Принципиальная схема стабилизатора Line-R в формате PDF.

 

Краткое описание схемы

1) Микропроцессором является микросхема однокристального микроконтроллера 87C752 (IC3) и назначение контактов этого контроллера представлено в табл.1. Тактовая частота внутреннего генератора микроконтроллера задается кварцевым резонатором Y1. Питающим напряжением микропроцессора является +5В.

Таблица 1. Описание контактов контролера  87С52 в AVR APC Line-R

№	Назначение
1	Выход управления желтым светодиодом режима BOOST2 (режим повышения на 30%)
2	Выход управления зеленым  светодиодом режима BOOST1 (режим повышения на 15%)
3	Выход управления зеленым  светодиодом режима нормальной работы
6	Выход управления реле A
7	Выход управления реле B
8	Выход управления реле С
9	Вход сигнала сброса RESET
10	Контакты подключения частотозадающего резона-тора
11
12	«Земля» цифровой части микроконтроллера
13	Входной аналоговый сигнал от датчика напряже-ния сети (положительная полуволна)
14	Входной аналоговый сигнал от датчика напряже-ния сети (отрицательная полуволна)
15	Входной аналоговый сигнал от датчика выходного напряжения
16	Цифровые порты для внутреннего использования
17
18	«Земля» аналоговой части микроконтроллера
19	Напряжение питания аналоговой части
20	Входной импульсный сигнал для определения ча-стоты питающей сети
21	Цифровые порты внутреннего использования
22
24	Вход определения типа питающей сети (110В/230В)
25	Выход управления звуковым сигналом
26	Выход управления желтым светодиодом режима CUT2 (режим понижения на 30%)
27	Выход управления зеленым светодиодом режима CUT1 (режим понижения на 15%)
28	Напряжение питания цифровой части

 

2) Сброс при запуске микропроцессора осуществляется сигналом RESET, приходящим на конт.9. Высокий уровень сигнала приводит к сбросу процессора. Нормальное состояние сигнала во время работы стабилизатора – это низкий уровень. Формируется сигнал RESET схемой, состоящей из транзисторов Q1, Q2 и компаратора IC1. Высокий уровень сигнала устанавливается при запуске стабилизатора и держится до тех пор, пока напряжение +5В не достигнет номинального значения.

3) Питающие напряжения +5В и +24В формируются за счет выпрямления пониженного переменного напряжения и дальнейшей его стабилизации. Понижение переменного напряжения осуществляется понижающим трансформатором Т1. Для выпрямления пониженного напряжения используется диодный мост, выполненный на диодах D13-D16. Дальнейшее сглаживание выпрямленного напряжения осуществляется конденсатором С13. Полученное постоянное напряжение стабилизируется универсальным регулятором LM317 (IC4). Величина выходного напряжения этого регулятора, а именно +24В, задается подбором номиналов резисторов R35 и R36. Далее из напряжения +24В получают напряжение +5В с помощью линейного интегрального стабилизатора типа LM7805 (IC5). Напряжение +5В используется для питания микропроцессора, микросхем компаратора и дискретной логики. Напряжение +24В предназначено для питания коммутирующих реле.

4) Определение частоты питающей сети осуществляется по сигналу ZCROSS, который берется с выхода диодного моста (D13-D16) и который представляет собой выпрямленные полуволны переменного тока. Далее эти полуволны преобразуются в импульсный сигнал, приходящий на вход микропроцессора. Такое преобразование осуществляется несколькими последовательно включенными триггерами Шмитта, являющимися микросхемой 74C14 (IC2).

5) Напряжение питающей сети – а это сигнал HOT_UREG преобразуется схемой датчика входного напряжения в сигнал постоянного тока. Причем датчик сетевого напряжения формирует два постоянных напряжения:

- одно из них пропорционально положительной полуволне сетевого напряжения;

- второе пропорционально величине отрицательной полуволны сетевого напряжения.

Таким образом, сетевое напряжение оценивается очень точно.

Датчик сетевого напряжения представляет собой два однополупериодных выпрямителя, выпрямительными диодами которых являются D10 и D11. Следующие за этими диодами элементы обеспечивают сглаживание выпрямленного напряжения и ограничение его величины. К недостаткам датчика сетевого напряжения можно отнести отсутствие гальванической развязки между микропроцессором и первичной сетью.

6) Датчик выходного напряжения также представляет собой однополупериодный выпрямитель на диоде D601, которым формируется сигнал DCDRAW1. Диодом обеспечивается выпрямление напряжения, снимаемого со средней точки первичной обмотки трансформатора T1, которая в данном случае представляет собой делитель напряжения.

7) Модуль автоматического регулирования напряжения – AVR (Automatic Voltage Regulator) представляет собой двухсекционную обмотку автотрансформатора и три реле: RY1, RY2 и RY3. Комбинируя включение этих трех реле можно получить четыре различных варианта протекания тока через дополнительную обмотку. Два из них обеспечивают повышение напряжения, а два – понижение. Все эти варианты демонстрируются на следующих рисунках.

 

 

 

8) Защита нагрузки от значительного превышения питающего напряжения сети обеспечивается металло-оксидными варисторами (MOV), обозначаемыми на схеме, как MV1 – MV4.

9) В моделях, предназначенных для сети 110V, предусматривается наличие схемы, контролирующей заземление. Эта схема включается между заземляющим контактом и нейтралью и активными элементами этой схемы являются транзисторы Q7 и Q8. В случае отсутствия заземления эта схема включает красный светодиод, расположенный на тыльной стороне устройства, что служит сигналом предупреждения для пользователя.

10) Конфигурирование стабилизаторов Line-R под регион использования, т.е. под тип питающей сети (110V/230V) осуществляется с помощью резисторов R3 и R4, которыми задается либо высокий, либо низкий уровень сигнала на конт.24 микропроцессора 87C752. В моделях, предназначенных для работы в сетях 110В, должен быть установлен резистор R3 и должен отсутствовать R4 – это обеспечивает создание на конт.24 сигнала высокого уровня. В моделях, рассчитанных для работы в сети 230V, наоборот, должен быть установлен резистор R4 (с сопротивлением 0 Ом, т.е. должна устанавливаться перемычка) и должен отсутствовать резистор R3. Это обеспечивает создание на конт.24 сигнала высокого уровня.