Бюджетные решения резервных источников питания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Бюджетные решения

резервных источников питания

Сергей КРИВАНДИН

[email protected]

В современных системах промышленной автоматики, телеметрии, передачи данных и системах безопасности важными задачами являются обеспечение гарантированного питания системы, резервирование и сохранение информации. Первую задачу решают резервные и бесперебойные (UPS) источники питания, которые при отключении электричества автоматически переходят на резерв. В материале дается краткий обзор бюджетных решений для создания резервных источников питания на основе модулей Mean Well и Chinfa мощностью от 30 до 960 Вт.

Модули серий AD-55 и AD-155 компании Mean Well для создания резервных источников питания

Очень популярным решением для построения блоков питания с резервированием являются модули производства Mean Well серий AD-55 мощностью 55 Вт и AD-155 мощностью 155 Вт [1]. В охранно-пожарных системах безопасности, например, широко используются AD-55A (55 Вт, 13,8 В). Изделия AD-55, AD-155 — это импульсные стабилизированные источники питания со встроенным контроллером заряда аккумуляторной батареи и цепью резервного переключения. Выпускаются варианты моделей с выходным напряжением 13,8; 27,6 или 54 В (табл. 1). Модели ADD-55 и ADD-155 имеют дополнительный выход 5 В, который можно использовать для питания цифровой управляющей части или вспомогательных цепей. Более мощные модели AD-155 и ADD-155 имеют встроенный корректор коэффициента мощности. Коэффициент мощности составляет 0,95 при Ивх = 230 В.

Структурная схема модуля ADD-55 приведена на рис. 1. Для создания резервированного

Таблица 1. Параметры моделей источников питания Mean Well с зарядным устройством

Модель ивых, В 1вых, А Заряд батареи, В/А Рвых, Вт

AD-55A 13,8 0-4 13,4/0-0,23 51

AD-55B 27,6 0-2 26,5/0-0,16 54

ADD-55A 13,8 5 0-3,5 0-4 13,4/0-0,23 52

ADD-55B 27,6 5 0-2 0-4 26,5/0-0,16 58

AD-155A 13,8 0-11,5 13,3/0-0,5 151

AD-155B 27,6 0-5,5 27,1/0-0,5 151

AD-155C 54 0-2,7 53,5/0-0,5 156

ADD-155A 13,8 5 0-10,5 0-3 13,3/0-0,5 152

ADD-155B 27,6 5 0-5 0-3 27,1/0-0,5 152

ADD-155C 54 5 0-2,5 0-3 53,5/0-0,2 150

источника питания к модулю ЛБ-55 (ЛБ-155) нужно лишь подключить аккумуляторную батарею. Для ее подключения имеются специальные клеммы «В+» и «В-» (рис. 2). Параметры аккумуляторной батареи можно выбрать, зная ток нагрузки системы и необходимое время резерва [2].

Основные технические параметры преобразователей ЛБ-55 и ЛБ-155:

• диапазон входного напряжения 88-264 В переменного тока или 124-370 В постоянного тока;

• частота входного напряжения 47-63 Гц;

• электрическая прочность изоляции: 3 кВ (вход/выход), 1,5 кВ (вход/корпус);

• суммарная нестабильность выходного напряжения (точность установки, при изменении выходного тока, при изменении входного напряжения) ±(1-2)% (основной канал), ±(3-5)% (дополнительный выход 5 В);

• пульсации выходного напряжения (размах): 100 мВ;

• рабочий диапазон температур: 0-50 °С;

• виды защит: от перегрузки по току, короткого замыкания, превышения выход-

ного напряжения, разряда батареи; от неправильного подключения полярности батареи, подстройка выходного напряжения.

Вывод CN1 Назначение

1 Battery low

2 AC fail

3 Сигнальная земля

Рис. 2. Внешний вид источника питания АО-55АА1_ со стороны разъемов и назначение выводов

Модели AD-55 и ADD-55 дополнительно могут иметь сигнализацию пропадания входного напряжения и сигнализацию снижения напряжения аккумуляторной батареи ниже допустимого уровня [3]. Наличие опции в модуле обозначается суффиксом AL, например AD-55AAL, AD-55BAL. Эти источники питания имеют дополнительный сигнальный разъем CN1, расположенный справа от основного силового разъема TB1 (рис. 2).

Сигналы о пропадании входного напряжения AC fail и о снижении напряжения аккумуляторной батареи Battery low имеют TTL-уровни: высокий (5 В) и низкий (0,8 В).

Сигнал AC fail снимается между выводами 2 и 3 сигнального разъема CN1. Если на входе есть переменное напряжение, то на выводе 2 присутствует сигнал низкого уровня 0,8 В. При пропадании входного переменного напряжения модуль переходит в режим источника бесперебойного питания (режим UPS), а на выходе AC fail устанавливается сигнал высокого уровня 5 В.

Сигнал о снижении напряжения аккумуляторной батареи Battery low снимается между выводами 1 и 3 сигнального разъема CN1. Критическим считается уровень напряжения батареи 82,5% от номинального значения. Если напряжение аккумуляторной батареи находится выше уровня (82,5 ±2)% от номинального, на выводе 1 присутствует сигнал низкого уровня 0,8 В. Если напряжение аккумуляторной батареи оказывается ниже критического уровня, на этом выводе появляется сигнал 5 В.

С помощью этих сигналов можно построить более «интеллектуальный» источник питания и реализовать индикацию и дистанционное управление. Максимальный ток по цепям сигнализации модулей AD-55 и ADD-55 не превышает 1 мА, поэтому их нельзя использовать для управления цепями, требующими больших токов.

Модули AD-55 и ADD-55 имеют габаритные размеры 159x97x38 мм и массу 0,5 кг, мощные версии AD-155, ADD-155 больше (199x110x50 мм) и тяжелее (0,88 кг). Они выпускаются в металлическом перфорированном корпусе, нижняя и боковая стенки которого являются частью теплоотвода. Модули универсальны с точки зрения монтажа: их можно монтировать и на шасси, и на DIN-рейку с помощью приспособлений. В корпусе имеются отверстия с резьбой M3. Варианты монтажа на DIN-рейку показаны на рис. 3.

Источники резервного питания Chinfa для монтажа на DIN-рейку

Для организации источников резервного питания мощностью от 30 до 480 Вт компания Chinfa предлагает линейку модулей серий DRAN* и DRA*. Они разработаны на основе популярных источников питания для монтажа на DIN-рейку серий DRAN и DRA и выпускаются в таких же корпусах (рис. 4). Обозначения зарядных устройств Chinfa отличаются от обозначений источников питания, на основе которых они созданы, суффиксом «*». Варианты моделей, обозначения

Рис. 4. Внешний вид источников питания — зарядных устройств: а) DRAN60-xxA УРв; б) DRAN120-xxA УРв

производителя и наименования для заказа приведены в таблице 2.

Основные параметры источников питания/зарядных устройств:

• универсальный вход 85-264 В переменного тока;

• комплекс защит: от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения;

• механическая подстройка выходного напряжения;

• электрическая прочность изоляции «вход/ выход»: 3 кВ переменного тока;

• диапазон рабочих температур: -10.. .71 °С (у моделей 30, 60 Вт) или -25.71 °С (умо-делей 120, 480 Вт);

• корректор коэффициента мощности у моделей 120, 240 и 480 Вт;

• коэффициент мощности 0,7 (у моделей 120, 240 Вт), 0,99 (у моделей 480 Вт);

• сертифицированы UL, cUL, TUV, CE.

Для построения источника резервного питания к модулям серий DRAN и DRA с суффиксом «*» надо подключить кислотный аккумулятор 12, 24 или 48 В (в зависимости от модели), реле с одним контактом на замыкание и защитным диодом; предохранитель в цепи аккумуляторной батареи. Схема резервного источника питания на основе модуля DRAN30-xx UPS (или DRAN60-xx UPS) приведена на рис. 5. Схемы включения модулей других серий могут немного отличаться [4].

Такая система выполняет функции обычного источника питания и зарядного устройства аккумуляторной батареи. Сумма токов питания нагрузки и заряда аккумуляторной батареи не должна превышать допустимых

Таблица 2. Варианты моделей источников питания/зарядных устройств СЫг^а для резервных источников питания

Наименование Chinfa Наименование для заказа Рвых, Вт Ubx, В ивых, В 1вых, А

DRAN30-12A* DRAN30-12A UPS 85-264 13,6 2,2

DRAN30-24A* DRAN30-24A UPS 30 85-264 27,2 1,1

DRAN30-48A* DRAN30-48A UPS 85-264 54,5 0,55

DRAN60-12A* DRAN60-12A UPS 85-264 13,6 4,4

DRAN60-24A* DRAN60-24A UPS 60 85-264 27,2 2,2

DRAN60-48A* DRAN60-48A UPS 85-264 54,5 1,1

DRAN120-12A* DRAN120-12A UPS 115/230 13,6 9

DRAN120-24A* DRAN120-24A UPS 120 115/230 27,2 4,4

DRAN120-48A* DRAN120-48A UPS 115/230 54,5 2,2

DRA240-24A* DRA240-24A UPS 240 90-264 27,2 8,8

DRA240-48A* DRA240-48A UPS 90-264 54,5 4,4

DRA480-24A* DRA480-24A UPS 480 90-264 27,2 17,6

DRA480-48A* DRA480-48A UPS 90-264 54,5 8,8

• Rdy ■

Нагрузка

К1/

Предохранитель D1Ä ИК1

Аккумуляторная батарея

Рис. 5. Схема резервного источника питания на базе модулей DRAN30-xx УРв или DRAN60-xx УРв

Таблица 3. Варианты состояний источника резервного питания на основе модулей DRA*, DRAN* и алгоритм его работы

Варианты состояний цепи Состояние сети 220 В и аккумулятора Состояние реле K1 Состояние модуля DRA*, DRAN* и нагрузки

1 Напряжение входной сети ЕСТЬ Катушка реле питается от модуля. Контакты реле К1 замкнуты Модуль питает нагрузку. Модуль заряжает аккумулятор

2 Напряжения входной сети НЕТ, аккумулятор заряжен Катушка реле питается от аккумулятора. Контакты К1 замкнуты Аккумулятор питает нагрузку

3 Напряжение аккумулятора ниже допустимого Катушка реле обесточивается. Контакты К1 размыкаются Аккумулятор отключается от нагрузки

Таблица 4. Уровни сигналов на выходе Rdy модулей DRA*, DRAN* в зависимости от модели и ее выходного напряжения

Состояние выхода Rdy Состояние светодиодов Условия измерения Вариант выходного напряжения, В Мин. уровень ивых Макс. уровень ивых

Включен Светодиод DC ON горит Ubx — номинальное, 1вых — номинальный 12 10,4 11,4

24 21,2 22,2

48 42,8 43,8

Выключен Светодиод DC LOW горит (если есть) Ubx — номинальное, 1вых — номинальный 12 10,3 11,3

24 21,1 22,1

48 42,7 43,7

значений для каждой модели, указанных в таблице 2.

Алгоритм работы резервного источника питания приведен в таблице 3, а уровни сигналов на выходе Кйу (открытый коллектор), от которых зависят переключения контактов реле, — в таблице 4.

Модули питания имеют индикаторы состояния на передней панели. Наличие постоянного напряжения на выходе индицируется зеленым светодиодом ВС ОЫ. Изделия большой мощности 120, 240, 480 Вт имеют дополнительную индикацию: при недостаточном выходном напряжении загорается красный светодиод ВС ЬОШ. Пороги срабатывания этой световой сигнализации приведены в таблице 4.

Источники питания/зарядные устройства СЬМа — предоставляют разработчику широкий выбор мощности — от 30 до 480 Вт. Они реализованы в корпусах для монтажа на ЭВД-рейку: их корпус имеет специальный замок-защелку. Хороший доступ к клеммным колодкам на передней панели позволяет легко осуществлять монтаж проводов.

Среди представленных новинок наиболее востребованными, по-видимому, окажутся модели 0КЛЮ0-12Л* (30 Вт, 12 В)

и DRAN60-12A* (60 Вт, 12 В) в системах охранно-пожарной сигнализации и DRAN120-24A* (120 Вт, 24 В) в системах промышленной автоматики.

Достоинства источников питания AD-55, AD-155, DRAN*, DRA*

Рассмотренные модули питания имеют преимущество: их можно применить и как обычные импульсные источники питания, и как основу для создания резервных источников питания.

Преобразователи, имеющие широкий вход 85-264 В переменного тока, рассчитаны для работы в сетях с напряжением 110, 115, 220 или 230 В. Кроме того, они не боятся провалов входного сетевого напряжения 220 В, 50 Гц.

Преобразователи AD-155 мощностью 155 Вт, DRA* и DRAN* мощностью 120, 240 и 480 Вт имеют встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC). Применение ККМ позволяет снизить значение реактивной мощности, уменьшить уровень сетевых гармоник и импульсных помех в питающей силовой сети 220 В, 50 Гц. Источники питания серий AD, ADD, DRAN*, DRA* могут работать на холостом ходу, что обеспечивает разработ-

чику гибкость при обеспечении питания радиоэлектронной аппаратуры.

Есть возможность подстройки выходного напряжения. На заводе в каждом модуле выставлено выходное напряжение, соответствующее напряжению заряда аккумуляторной батареи. Механическая подстройка выхода осуществляется с помощью потенциометра, расположенного на передней панели корпуса преобразователя. Диапазон подстройки составляет +5/-13% у модулей AD-55, AD-155 и +3/-11% или +1/-12% у DRA*, DRAN* в зависимости от модели.

Источники питания Mean Well с функцией UPS для монтажа на DIN-рейку

Компания Mean Well выпускает модули DR-UPS40 (рис. 6), которые предназначены для построения систем резервного или бесперебойного питания с промежуточной шиной 24 В и внешними аккумуляторными батареями [5]. DR-UPS40 представляет собой контроллер заряда аккумуляторной батареи.

Рис. 6. Внешний вид контроллера заряда батареи DR-UPS40

Основные параметры контроллера DR-UPS40:

• диапазон входного напряжения шины питания: 24-29 В;

• максимальный входной ток: 40 А;

• диапазон входного напряжения от аккумуляторной батареи: 21-29 В;

• диапазон входного тока от аккумуляторной батареи: 0-40 А;

• ток заряда аккумуляторной батареи: 2 А. Для построения резервного или бесперебойного источника питания необходимы модуль питания, контроллер DR-UPS40, к которому нужно подключить аккумуляторную батарею на 24 В емкостью 4, 7 или 12 А-ч (в зависимости от задачи). В качестве сетевого источника могжно применять модули питания Mean Well серий MDR, DR, DRP, DRT с выходным напряжением 24 В для монтажа на DIN-рейку.

Для создания резервного источника питания нужно подключить аппаратуру, как показано на рис. 7. Для построения источника бесперебойного питания схему (рис. 7) нужно дополнить модулем DR-RDN20 (рис. 8).

Рис. 10. Внешний вид модуля DR-RDN20

Модуль DR-UPS40 проверяет состояние аккумуляторной батареи, защищает батарею от обратного напряжения, автоматически подключает батарею при пропадании выходного напряжения сетевого источника питания (рис. 9).

Вспомогательный модуль DR-RDN20 (рис. 10) предназначен для корректного параллельного включения модулей питания. Он рассчитан на работу в сетях 24 В и содержит 20-амперные диоды ORing, размещенные на мощных теплоотводах.

Основные параметры модуля DR-RDN20:

• два входа;

• два светодиодных индикатора для каждого входа;

• максимальный выходной ток: 20 А;

• падение напряжения на модуле: 0,5 В;

• диапазон входного напряжения: 21-28 В;

• максимальный входной ток на каждом входе: 20 А.

Целям диагностики состояния контроллера DR-UPS40 и системы питания в целом служат 3 выхода информационных сигналов и 3 соответствующих светодиода:

• напряжение шины питания в норме (DC OK);

• аккумуляторная батарея в норме (BAT FAIL);

• батарея разряжена (BAT DISCHARGE).

Подключение к этим выходам внешней цепи индикации позволяет визуально контролировать состояние модуля и батареи, когда светодиоды на корпусе модуля не видны. Внешние индикаторы можно разместить на передней дверце шкафа, панели управления или удаленном пульте управления.

Мониторинг системы питания можно реализовать также с помощью встроенных реле модуля DR.-R.DN20 (рис. 11). При аварийном отключении любого из двух источников питания, подключенных к входу DR-RDN20 (пропадание сети, авария модуля питания, авария аккумуляторной батареи), на соответствующем выходе модуля DR-RDN20 появится сигнал об этом событии, который можно использовать как для отключения системы питания в целом, так и для сигнализации персоналу о необходимости принять меры.

Модули DR-UPS40 и DR-RDN20 реализованы в том же металлическом корпусе размерами 55,5x125,2x100 мм, что и популярные источники питания серии DR-75. DR-UPS40 и DR-RDN20 могут работать при температурах окружающего воздуха от -20 до 70 °С, соответствуют международным стандартам по уровню излучаемых помех Е№5022 (CISPR22) класс В, по устойчивости к электромагнитным помехам ЕШ1000-4-2 (3, 4, 5, 6, 8), Е^50204, требования к тяжелой промышленности, критерий Л.

Следует отметить, что модули DR-RDN20 и DR-UPS40 можно использовать не только

Vout+ QVin/Vout— 6 VinB+ 6-

VinA+ Q—

DR-RDN20

-W—"

-и—

Реле

В

Реле

A

-9 +

; AlarmB

-0 +

! AlarmA

Рис. 11. Структурная схема модуля параллельного включения DR-RDN20

с источниками питания серий MDR, DR, DRP, DRT, но и с другими источниками питания, например популярных серий RS, NES, SP, S. Не забудьте только, что DR-RDN20 и DR-UPS40 рассчитаны на работу только с напряжением 24 В.

Сравнение бюджетных резервных источников питания

Для создания резервных источников питания компания Chinfa предлагает своим клиентам модули DRAN* и DRA* мощностью от 30 до 480 Вт на напряжения аккумуляторной батареи 12, 24 или 48 В. Достоинство — широкий диапазон мощности и удобный монтаж на DIN-рейку. Среди недостатков можно отметить необходимость подключения дополнительных внешних элементов: реле и предохранителя.

Этих недостатков лишено решение, основанное на модулях Mean Well серий AD-55 (55 Вт, 12 или 24 В) и AD-155 (155 Вт, 12, 24 или 48 В), у которых и цепи контроля заряда аккумуляторной батареи, и переключающие цепи встроены в корпус, а для создания резервного источника питания нужно лишь подключить аккумуляторную батарею. Большим преимуществом является универсальный монтаж этих модулей: на шасси и DIN-рейку (с помощью приспособлений). Диапазон мощности источников резервного питания на основе модулей AD-55 или

AD-155, к сожалению, ограничен двумя номиналами 55 или 155 Вт.

В широком диапазоне мощности от 20 до 960 Вт можно построить резервные источники питания на основе модулей питания Mean Well серий DR, MDR, DRP, DRT и контроллера заряда аккумуляторной батареи DR-UPS40. Источник бесперебойного питания можно получить, подключив еще модуль DR-RDN20. Ограничением здесь является то, что резервные и бесперебойные источники питания можно создать только на напряжение 24 В.

Таким образом, разные наборы модулей имеют свои преимущества и ограничения. Такое разнообразие позволяет разработчику выбрать наиболее приемлемый для конкретной задачи вариант реализации резервного источника питания в различных отраслях:

• промышленная автоматика;

• оборудование телекоммуникаций;

• системы передачи и хранения данных;

• охранно-пожарные системы;

• системы контроля доступа;

• системы распределенного питания;

• системы резервного питания. ■

Литература

1. Источники питания для элементов систем безопасности. http://ps.compel.ru

2. Подбор аккумуляторной батареи для источника бесперебойного питания. http://ps.compel.ru

3. Мониторинг сети 220 В и состояния батареи в источниках питания с функцией UPS (модули AD-55, ADD-55). http://ps.compel.ru

4. Источники резервного питания Chinfa для монтажа на DIN-рейку // Новости электроники. 2007. № 18.

5. Источники питания Mean Well с функцией UPS для монтажа на DIN-рейку. http://ps.compel.ru