МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК
Зарядные устройства источников бесперебойного питания. Часть I.
Самой главной функцией, выполняемой источником бесперебойного питания, является функция обеспечения электроэнергией подключенной к нему нагрузки в момент пропадания сетевого питающего напряжения. Как известно, для этих целей в состав любого UPS входит аккумуляторная батарея и инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного тока аккумулятора в переменный ток, требующийся для питания нагрузки. Эти компоненты, безусловно, являются важнейшими в составе любого UPS, но и еще без одного элемента невозможно представить себе ни один источник бесперебойного питания. Это – зарядное устройство, на которое, кстати сказать, приходится достаточно высокий процент от всех отказов UPS.
Основной функцией зарядного устройства, входящего в состав UPS, является обеспечение зарядки аккумуляторной батареи и дальнейшее поддержание этого заряда на соответствующем уровне. Функционирование зарядного устройства, т.е. подзарядка аккумулятора осуществляется в те периоды времени, когда на входе UPS имеется сетевое питающее напряжение. Конечно же, схемотехника и основные характеристики зарядного устройства определяется целым рядом параметров:
— типом (классом, топологией) источника бесперебойного питания (интерактивный, резервный, феррорезонансный, On-Line и т.п.);
— выходной мощностью UPS;
— количеством аккумуляторных батарей в составе UPS;
— типом используемых аккумуляторных батарей;
Именно многообразие факторов, влияющих на выбор топологии зарядного устройства, привело к тому, что в современных источниках бесперебойного питания мы встретим несколько, совершенно различных, вариантов схемотехники зарядных устройств.
Попытка классифицировать зарядные устройства привела к тому, что мы предлагаем выделить следующие базовые варианты схемотехники зарядных устройств:
— линейные регуляторы напряжения и тока;
— импульсные DC-DC-преобразователи напряжения;
— импульсные однотактные источники напряжения;
— двухтактная мостовая выпрямительная схема, совмещенная с инвертором.
Мы не претендуем на полноту предложенной классификации, но дальнейший наш обзор призван показать на реальных примерах, что выделенные нами варианты схемотехники используются в подавляющем большинстве современных источников бесперебойного питания.
Прежде чем переходить к обзору схемотехнических особенностей различных вариантов зарядных устройств, скажем о том, что величина зарядного напряжения аккумуляторных батарей, т.е. величина выходного напряжения зарядного устройства зависит, в первую очередь, от количества аккумуляторов в составе UPS. Эта зависимость отражена в табл.1.
Таблица 1. Зависимость величины зарядного напряжения от количества батарей
Количество батарей
Выходное напряжение зарядного устройства
от 26.7В до 28.5В
от 53.4В до 57.0В
Работоспособность зарядного устройства и правильность формирования им напряжения, заряжающего аккумуляторы, можно проверить следующим образом:
1. Подключить UPS к сети переменного тока с номинальным значением напряжения (230В).
2. Открыть крышку, закрывающую аккумуляторные батареи и обеспечить свободный доступ к клеммам на батареях, к которым подключены провода (красный провод и черный провод) от основной платы. Подобную процедуру очень легко проделать в устройствах APC Smart-UPS. В других моделях APC и в UPS других производителей придется подумать, как обеспечить доступ к клеммам аккумуляторной батареи.
3. Включить UPS и дождаться окончания процедуры самотестирования UPS, которая может занять 8-15 секунд. После окончания самотестирования, UPS переходит в режим работы от сети (On-Line) о чем обычно сообщает соответствующий индикатор (чаще всего, зеленого цвета).
4. Отсоединить от аккумуляторных батарей черный провод затем красный провод.
5. Измерите напряжение постоянного тока между черным и красным проводом.
6. Измеренное напряжение и является зарядным напряжением аккумуляторной батареи, формируемым зарядным устройством. Значение этого напряжения зависит о модели UPS и от количества аккумуляторных батарей, используемых в этой модели. Типовые значения этого напряжения представлены в табл.1. Но здесь нужно иметь в виду, что некоторые дешевые и примитивные модели источников бесперебойного питания могут выключаться при отсоединении аккумуляторной батареи.
7. Если измеренное напряжение не находится в заданном диапазоне, то это говорит о неисправности основной платы UPS, и в частности – о неисправности схемы заряда аккумуляторов.
Кроме количества аккумуляторов, на величину зарядного напряжения и зарядного тока могут влиять еще и такие факторы, как:
— метод заряда аккумулятора.
Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2.2 В . Среди всех типов аккумуляторов, свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.
Для алгоритма заряда свинцово-кислотных батарей более критичным является ограничение напряжения, чем ограничение тока заряда. Время заряда герметичных свинцово-кислотных батарей составляет 12 – 16 часов. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч и менее. Но в большинстве моделей UPS на такие усложнения не идут, предпочитая использовать более простые схемы заряда аккумуляторов.
По своему назначению, свинцово-кислотные батареи, как, впрочем, и другие типы аккумуляторов (например, никель-кадмиевые), можно разделить на две большие группы:
1) Батареи циклического применения, т.е. батареи, используемые как основной источник питания и для которых характерны повторяющиеся циклы заряд/разряд.
2) Батареи, работающие в буферном режиме, используемые в резервных источниках питания.
Соответственно этому делению различаются и возможные методы заряда аккумуляторов. Для батарей циклического применения используются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда. Для буферных батарей используется метод двухступенчатого заряда:
— во-первых, метод заряда при постоянном напряжении заряда;
— во-вторых, метод компенсирующего заряда (струйная или капельная подзарядка).
Для заряда буферных батарей возможно использование в качестве самостоятельных, методов, входящих в состав двухступечатого заряда, т.е. они могут заряжаться, как постоянным напряжением, так и методом компенсирующего заряда.
Для лучшего понимания схем зарядных устройств, разберем основные методы заряда свинцово-кислотных батарей, используемые в источниках бесперебойного питания.
Метод заряда при постоянном напряжении заряда
При таком методе заряда к выводам батареи прикладывается постоянное напряжение из расчета 2.45 В на элемент при температуре воздуха 20 – 25 °С , т.е. к батарее с 6-ю элементами (12-вольтовые аккумуляторы) в этом случае должно прикладываться напряжение 14.7В . Но это в теории, на практике же все обстоит несколько иначе. Величина этого напряжения может незначительно отличаться для различных типов батарей от разных производителей. В технической документации на аккумуляторные батареи четко указывают значение напряжения заряда и информацию по его поправкам для тех случаев, когда температура окружающей среды отличается от нормальной (25°С). Необходимо отметить, что в реальных устройствах это напряжение тоже может незначительно отличаться, в зависимости от того, какой режим заряда батареи решил использовать производитель UPS. В сервисной документации на UPS должна быть представлена информация о величине зарядного напряжения для каждой конкретной модели источника бесперебойного питания. Подобные данные для UPS такого производителя, как APC представлены в табл.2. А вот что же должно быть в источниках других моделей и других брендов, к сожалению, можно выяснить лишь опытным путем, работая с абсолютно исправными устройствами.
Таблица 2. Величина зарядного напряжения некоторых моделей ИБП компании APC
Модель UPS фирмы APC
Выходное напряжение зарядного устройства
Back-UPS 250EC/250 EI
Back-UPS 400 EC/EI/MI
от 13.75 до 13 . 8 VDC
Back-UPS 250 (BK250)
от 13.75 до 13 . 8 VDC
Back-UPS 400/450 (BK400/450)
Back-UPS 600 (BK600)
Back-UPS 900/1250 (BK900/1250)
Back-UPS AVR 500I / 500IACH
Back-UPS PRO 280/300J/420
Back-UPS PRO 500J/650
Back-UPS PRO 1000
от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
Back-UPS PRO 1400
от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
Smart-UPS 2200 RM/RMI/RM3U/RM3UI
от 53.4 до 57.0 VDC
Smart-UPS 3300 RM/RMI/RM3U/RM3UI
от 53.4 до 57.0 VDC
Smart-UPS 250 (1G и 2G)
от 20.4 до 21.2 VDC
Smart-UPS 370/400 (1G и 2G)
от 27.05 до 27.9 VDC
Smart-UPS 600 (1G и 2G)
Smart-UPS 900/1250 (1G и 2G)
Smart-UPS 2000 (1G и 2G)
Smart-UPS RM 700/1000/1400
Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль за постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы – сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.
На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой. Ранее в отечественной литературе при заряде негерметичных свинцово-кислотных батарей считалось нормой производить их заряд начальным током, равным 0.1С в течение 8 – 12 часов при напряжении заряда из расчета 2.4 В на элемент батареи.
На рис.1 в качестве примера показаны характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.
Рис.1 Характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей
При заряде постоянным напряжением, зарядное устройство должно иметь таймер для отключения батареи по окончании заряда или другое устройство, обеспечивающее контроль времени или степени заряда батареи и выдающее сигнал отключения управляющему устройству. Эту функцию в современных источниках бесперебойного питания выполняет микропроцессор, который осуществляет контроль заряда батареи. Ограничение времени заряда позволяет избежать как ее недостаточного заряда, так и перезаряда. Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.
Нельзя заряжать полностью заряженную батарею — перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.
Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда
Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда, как и следует из его названия, происходит в два этапа:
— сначала заряд при более высоком напряжении заряда;
— а затем заряд при более низком напряжении заряда (струйный или компенсирующий заряд).
Работу зарядного устройства поясняет график характеристики заряда (рис.2). Заряд начинается с подачи на батарею повышенного напряжения заряда. При этом ток начала заряда выбирают, как правило, равным 0.15 С, а время первого этапа заряда – около 10 ч. По мере заряда батареи ток заряда уменьшается, и, когда его значение достигнет определенной величины, зарядное устройство перейдет в режим струйной подзарядки малым током (обычно 0.05С ).
Рис.2 Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда
При двухступенчатом заряде начальный ток первого этапа не должен превышать значения 0.4С , а ток струйной подзарядки – 0.15С . Типовые значения напряжений заряда при различных температурах окружающей среды для 12-вольтового аккумулятора приведены в табл.3.
Таблица 3. Напряжения заряда при двухступенчатом заряде
Этап заряда
Типовое значение напряжения заряда , В
0° С
25° С
40° С
Важным преимуществом данного метода является сокращенное время заряда батареи при переходе из рабочего режима в дежурный, до состояния струйной (компенсационной) подзарядки при малой величине тока заряда.
Метод компенсирующего заряда
Метод компенсирующего заряда, который называют также методом струйной подзарядки, обычно применяют на заключительной стадии процесса заряда. Однако применяют его и как самостоятельный метод заряда при заряде свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в дежурном режиме, т.е. в качестве резервного источника питания. В таком источнике в случае сбоя основного источника в работу вступает аккумуляторная батарея. Если ее разряд был непродолжительным, и емкость снизилась незначительно, то для заряда будет достаточен компенсирующий заряд батареи, который обеспечит постепенное восстановление ее рабочей емкости. Однако при глубоком разряде потребуется применение другого зарядного устройства, способного обеспечить достаточно высокий ток заряда. В случае глубокого разряда и последующей за ним струйной подзарядке может произойти сульфатация пластин батареи со всеми вытекающими последствиями. Выход из положения может заключаться в недопущении глубокого разряда, что обеспечивается микропроцессором UPS, следящим за уровнем разряда батареи.
При компенсирующем заряде следует также учитывать, что длительный заряд при незначительных колебаниях напряжения заряда существенно снижает срок службы батареи. Поэтому должна быть предусмотрена его стабилизация. Желательно, чтобы отклонение напряжения заряда от нормы не превышало ±1 %. Кроме того, поскольку зарядные характеристики в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, зарядное устройство должно иметь схему термокомпенсации.
Нельзя утверждать, что компенсирующий заряд столь полезен для свинцово-кислотных батарей, потому что этот метод обычно используют в двух случаях: при их незначительном разряде и для подзарядки заряженных батарей с целью компенсации их саморазряда.
Для свинцово-кислотных аккумуляторов недопустим недостаточный заряд, т. к. это приводит к сульфатации отрицательных пластин. Но в равной степени, недопустим и перезаряд, вызывающий коррозию положительных пластин. При компенсирующем заряде, если он продлится слишком долго, начнется перезаряд батареи и, кроме того, будет происходить вскипание электролита.
Итак, из всего вышесказанного, можно сделать вывод о том, что в наиболее массовых источниках бесперебойного питания используются самые простые методы заряда – метод заряда постоянным напряжением и метод компенсирующего заряда.
Еще необходимо отметить, что при выборе значения напряжения заряда необходимо учитывать температуру окружающей среды: при ее высоких значениях требуется напряжение немного уменьшить, а при низких – увеличить. Именно поэтому в хороших зарядных устройствах, предназначенных для эксплуатации в широком диапазоне температур, имеется специальная схема, контролирующая температуру окружающей среды и обеспечивающая установку напряжения компенсирующего заряда в соответствии с ее значением.
В принципе, говорить обо всех особенностях аккумуляторных батарей и их зарядных устройств, можно еще достаточно долго, но все-таки вернемся к теме нашей публикации и начнем знакомство с практическими вариантами зарядных устройств. Но вся приведенная здесь информация, надеемся, поможет нашим читателям лучше понять все то, что будет представлено далее.
Зарядные устройства на базе линейных регуляторов напряжения
Зарядные устройства в виде линейных регуляторов напряжения на сегодняшний день очень редко используются компанией APC в своих источниках бесперебойного питания. Линейные регуляторы широко использовались в моделях первого (1G) и второго (2G) поколений, и их использование чаще всего было характерно для моделей с небольшой выходной мощностью.
Что же касается других производителей, то они до сих пор продолжают использовать линейные регуляторы в качестве зарядных устройств, т.к. имена эта топология является наиболее простой как в проектировании, так и в практической реализации.
Блок–схема зарядного устройства на базе линейного регулятора напряжения представлена на рис.3, который и демонстрирует всю простоту схемы. Обязательным элементом схемы является понижающий низкочастотный трансформатор. В качестве которого, кстати, может использоваться основной силовой трансформатор источника бесперебойного питания. В этом случае в трансформаторе имеется дополнительная понижающая обмотка. Такое решение позволяет избежать применения отдельного трансформатора, что позволяет снизить и стоимость, и массу UPS.
Рис.3 Архитектура зарядного устройства ИБП (линейный регулятор)
Преобразование переменного напряжения в постоянное, традиционно, осуществляется выпрямителем на базе диодного моста, с которого выпрямленное напряжение поступает на схему регулятора-стабилизатора.
Режим работы регулятора напряжения может определяться двумя схемами:
— схемой ограничения тока стабилизатора;
— схемой термической регулировки.
Обе эти схемы являются опциональными и их наличие характерно для зарядных устройств более высокого класса. В простейших зарядных устройствах, работающих в режиме заряда постоянным напряжением, они чаще всего отсутствуют.
Включение и выключение регулятора напряжения осуществляется микропроцессором (или другим контроллером, выполняющим функцию главной управляющей микросхемы UPS) посредством сигнала ON/OFF. Включение и выключение зарядного устройства осуществляется микропроцессором, который анализирует состояние сигнала уровня заряда аккумулятора и сигнала AC-OK (сигнала наличия на входе UPS переменного сетевого напряжения).
Подавляющим большинством разработчиков UPS используется микросхема LM317 в качестве основы линейного регулятора зарядного напряжения. Эта универсальная микросхема трехвыводного стабилизатора положительного напряжения, позволяющая проектировать стабилизаторы с выходным напряжением от 1.2В до 37В и током нагрузки до 1.5А . Мы не будем сейчас распространяться по поводу LM317, ведь любой желающий найдет о ней самую подробную информацию как через Internet, так и в отечественных справочниках по зарубежной элементной базе. Единственное, на чем хотелось бы остановиться, так это на особенностях включения стабилизатора и методах программирования уровня выходного напряжения.
Стабилизатор LM317 удобен тем, что требуют всего двух внешних резисторов для задания уровня выходного напряжения. Кроме того, показатели нестабильности по току нагрузки и напряжению у LM317 гораздо лучше, чем у стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. LM317 имеет встроенную схему защиты от перегрузки, схему ограничения тока, схему защиты от перегрева, схему защиты от несоблюдения области безопасной работы.
Конфигурация внешних резисторов и направление токов, протекающих через выводы LM317, показаны на рис.4. Стабилизатор обеспечивает опорное напряжение Vref = 1.25 В (напряжение между выходным и управляющим выводами). Это опорное напряжение прикладывается к задающему ток резистору R1 . Значение же выходного напряжения определяется по формуле (1):
Vout=Vref(1+R2/R1)+IADJR2 (1)
Рис.4 Стабилизатор LM317
Ток через управляющий вывод не превышает значения 100мкА и в данной формуле входит в слагаемое, определяющее погрешность. Поэтому при разработке стабилизатора ток IADJ стремятся предельно снизить, и, таким образом, уменьшить, насколько это возможно, изменения выходного напряжения и тока нагрузки. Для этой цели, весь ток потребления протекает через выходной вывод микросхемы, определяя минимально необходимый ток нагрузки. Если нагрузка на выходе не достаточна, то выходное напряжение будет расти. Для предотвращения этого явления в зарядных устройствах вводится следящая цепь, которая при увеличении выходного напряжения (а это может происходить по мере заряда аккумуляторов) корректирует номиналы резистивного делитель, и, в частности, эквивалентное сопротивление резистора R2. Пример такой следящей связи представлен на рис.5. В представленной схеме датчиком выходного напряжения является резистивный делитель R4/R5. Увеличение выходного напряжения приводит к открыванию транзистора Q1 и подключению резистора R3 параллельно резистору R2. В результате, эквивалентное сопротивление резистора R2 уменьшается, что приводит к снижению величины выходного напряжения. Аналогичным образом можно компенсировать и величину зарядного напряжения при изменении окружающей температуры. Для этого вместо резистора R5 достаточно установить терморезистор.
Рис.5 Следящая цепь позволяет предотвращать изменение выходного напряжения и тока нагрузки
Ни один из выводов микросхемы не должен быть подключен к «земле» в обязательном порядке. Подключение к «земле» осуществляется через соответствующий делитель. Поэтому данный стабилизатор, как говорят, имеет «плавающие» относительно «земли» потенциалы выводов. Как результат этого, с помощью LM317 могут стабилизироваться напряжения в несколько сотен вольт, при условии, что не будет превышен допустимый предел разности напряжений между входом и выходом (максимальное значение разности не должно превышать 40В ).
Необходимо отметить, что микросхема LM317 удобна для создания не только линейных стабилизаторов с программируемым выходным напряжением, но и для создания простых регулируемых импульсных стабилизаторов, хотя именно такое решение в источниках бесперебойного питания, практически, не встречается.
Подключение управляющего вывода ADJ (конт.2) к «земле» приводит к тому, что выходное напряжение стабилизатора задается на уровне 1.2 В , при котором большинство нагрузок начинает потреблять мизерный ток, т.е., фактически, нагрузка выключается. Именно по такому принципу осуществляется включение/выключение зарядного устройства. Для этого в схему вводится транзистор, включаемый между «землей» и контактом ADJ . Транзистор управляется TTL-сигналом, формируемым микроконтроллером рис.6.
Рис.6 Включение/выключение стабилизатора LM317
Открывание транзистора приводит к шунтированию на землю вывода ADJ и выключению зарядного устройства. Запирание же транзистора позволяет включить зарядное устройство и сформировать на выходе LM317 напряжение, величина которого задана внешним резистивным делителем. Шунтирование управляющего вывода может осуществляться не напрямую на «землю», а через резистор (рис.7). В этом случае на выходе зарядного устройства формируется уже не 1.2В, а несколько большее напряжение, однако, все равно, с достаточно низким потенциалом, что, фактически, соответствует прекращению работы зарядного устройства.
Кроме управляющего транзистора, в схеме зарядного устройства часто имеется еще и ограничитель тока, который отключает стабилизатор LM317 в случае превышение тока нагрузки (в данном случае тока заряда аккумуляторов) сверх установленного значения. Вариант зарядного устройства с ограничителем тока представлен на рис.8. Именно так и выглядят зарядные устройства подавляющего большинства источников бесперебойного питания компании PowerCom модельного ряда KING (семейство KIN) и модельного ряда Black Knight (семейство BNT). В данной схеме величина тока, при котором происходит ограничение, задается, в первую очередь, номиналом резистора R3. Падение напряжения на резисторе R3 управляет транзистором Q1. Резистор R3 с сопротивлением 1 Ом устанавливает предельное значение тока 0.6А . А в принципе, величина выходного тока, при котором осуществляется ограничение, т.е. величина тока короткого замыкания (КЗ) вычисляется по формуле (2):
Iкз = 600 mV / R3 (2)
Рис.8 Зарядное устройство ИБП PowerCom семейств KIN/BNT
На этом рассмотрение особенностей микросхемы LM317 мы заканчиваем и переходим к обзору практических схем зарядных устройств различных источников бесперебойного питания.
Единственное, на что еще можно обратить внимание, так это на то, что у микросхемы LM317 имеется и отечественный аналог – это стабилизатор 142ЕН12, который ничем от нее не отличается (ни характеристиками, ни типом корпуса, ни внутренней схемой, ни схемами применения).
Рис.9 Зарядное устройство ИБП APC Back-UPS 600 (шасси 640-0208E)
На рис.9 представлен первый пример использования LM317 для построения зарядного устройства. В этом примере на вход стабилизатора подается выпрямленное, но не сглаженное напряжение, получаемое на выходе диодного моста из пониженного сетевого переменного напряжения. В результате, на выходе стабилизатора, также формируется не постоянное напряжение, а «параболы со срезанными верхушками». Ограничение параболы осуществляется на уровне напряжения стабилизации, который, в первую очередь, задается резисторами R9 и R11. Более точная подстройка этого напряжения осуществляется делителем R10/VR1. Таким образом, переменный резистор VR1 позволяет подрегулировать величину выходного напряжения зарядного устройства. Сглаживание выходного напряжения зарядного устройства осуществляется электролитическим конденсатором C3.
Рис.10 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 800/1500AP
На рис.10 приводится схема зарядного устройства, использующегося во многих моделях семейств KIN и BNT фирмы PowerCom. Это зарядное устройство строится по классической схеме с ограничением по току. Величина выходного напряжения зарядного устройства задается резистивным делителем R7/R38. Токовым датчиком, задающим порог токового ограничения, является резистор R51. Токовый датчик управляет транзистором Q8, с помощью которого осуществляется блокирование стабилизатора в момент превышения током порогового значения. Включение/выключение зарядного устройства осуществляется транзистором Q10, который управляется сигналом ON/OFF от микропроцессора.
Рис.11 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 425/625AP
На рис.11 представлена еще одна схема зарядного устройства для UPS компании PowerCom. Эта схема также построена на основе классической схемотехники зарядного устройства с токовым ограничением, однако в ней предусмотрено изменение режимов работы зарядного устройства. Изменение режимов работы, т.е. программирование зарядного устройства, осуществляется сигналом VOLT_SELECT, который является дискретным сигналом и генерируется микропроцессором. Этим сигналом изменяются параметры резистивного делителя, задающего выходное напряжение стабилизатора, и в частности изменяется сопротивление «нижнего» резистора (R2 на рис.4). Установка сигнала VOLT_SELECT в высокий уровень приводит к открыванию транзистора Q12 и запиранию Q7. В результате «нижним» резистором делителя становится резистор R15. Установка же сигнала VOLT_SELECT в низкий уровень приводит к открыванию транзистора Q7 и закрыванию Q12, в результате чего «нижним» резистором делителя становится R17 c другим номиналом сопротивления, что, в итоге, приводит к изменению выходного напряжения зарядного устройства.
Включение и выключение зарядного устройства осуществляется сигналом ON/OFF и транзистором Q18, при открывании которого управляющий вывод стабилизатора LM317 (конт.1) шунтируется на «землю». Ограничение тока, как обычно, осуществляется транзистором Q19, который, в свою очередь, управляется токовым датчиком – резистором R35.
На схеме, изображенной на рис.11 можно видеть еще и наличие датчика работы зарядного устройства, состоящего из R53, R45 и C19. Этим датчиком генерируется сигнал CHRG_ON сразу же, как только на входе UPS появляется питающее напряжение первичной сети. Этот сигнал своим высоким уровнем сообщает микропроцессору о наличии сетевого напряжения и возможности начала процесса заряда аккумуляторов. Именно по этому сигналу микропроцессор устанавливает сигнал ON/OFF в низкий уровень, что и приводит к запуску зарядного устройства. В принципе, этот датчик можно было бы назвать датчиком наличия сетевого напряжения.
Рис.12 Зарядное устройство ИБП Back-UPS 900/1250 (шасси 640-0209)
Зарядное устройство на рис.12 предназначено для формирования мощного тока заряда аккумуляторов. Но так как LM317 позволяет формировать ток величиной всего лишь до 1.5А , то для увеличения мощности устанавливают параллельно два стабилизатора (IC12 и IC13), в результате чего ток нагрузки делится между двумя этими микросхемами примерно пополам, т.е. данное зарядное устройство обеспечивает зарядный ток, величиной до 3А . Величина зарядного напряжения задается резисторами R141, R142, R143 и VR6. Как и в одном из уже рассмотренных примеров, переменный резистор VR6 позволяет обеспечить точную подстройку напряжения зарядного устройства. Эта операция выполняется на заводе-изготовителе, а также может осуществляться сервисными инженерами при тестировании UPS.
В данной схеме предусмотрен плавный запуск зарядного устройства, т.е. выходное напряжение нарастает постепенно – по экспоненциальному закону. Плавный запуск обеспечивается схемой, состоящей из транзистора Q45 и интегрирующей цепи R166/C48. В момент появления переменного напряжения на выходе понижающего трансформатора T2, конденсатор C48 разряжен, в результате чего транзистор Q45 оказывается закрытым. Закрытый Q45 «отсекает» от «земли» резистивный делитель (и, в частности, резистор R142), с помощью которого задается величина выходного напряжения зарядного устройства. Однако по мере заряда конденсатора C48, транзистор Q45 начинает приоткрываться, и задающий делитель подключается к «земле». Напряжение на конденсаторе растет по экспоненциальному закону, в результате чего по такому же закону изменяется выходное напряжение и ток.
Транзистор Q19 является управляющим транзистором, с помощью которого осуществляется включение и выключение зарядного устройства. Управляется транзистор сигналом ACFAIL, который устанавливается в высокий уровень в момент пропадания сетевого напряжения. Активизация сигнала ACFAIL приводит к открыванию транзистора Q19 и выключению зарядного устройства.
Кроме того, в данной схеме предусмотрена и термическая компенсация зарядного напряжения, и термическая защита. Для этих целей предназначен терморезистор R161 и управляемый им транзистор Q18, который, в свою очередь, управляет транзистором Q19.
Кроме LM317 в зарядных устройствах могут применяться и интегральные трехвыводные стабилизаторы на фиксированное напряжение. Эти стабилизаторы имеют три вывода: входное напряжение, выходное напряжение и «земля». Именно относительного «земли» эти стабилизаторы и ограничивают свое выходное напряжение. Из всего многообразия таких микросхем, наиболее подходящими для построения зарядных устройств аккумуляторов являются стабилизаторы на 15 Вольт . Однако напряжение 15В является избыточным. Поэтому для снижения величины действующего выходного напряжения эти стабилизаторы заставляют работать в условно-импульсном режиме. Такой режим подразумевает, что на вход стабилизатора подается несглаженное выпрямленное напряжение. В результате, на выходе стабилизатора формируются «срезанные» на уровне 15 Вольт параболы, при сглаживании которых далее получают напряжение около 14 Вольт . Пример такого зарядного устройства представлен на рис.13.
Как правильно зарядить аккумуляторную батарею?
Правильный заряд АКБ – один из важнейших факторов длительного срока службы, получения хорошей отдачи и корректной работы батареи в целом. Стоит отметить, что это условие относится к любым видам аккумуляторов как к мощным промышленным с большой ёмкостью, так и к маленьким батарейкам, питающим всевозможные гаджеты. Печально признавать, но многие потребители даже не знают о том, что существует правильная зарядка аккумулятора. Эта статья поможет вам разобраться в нюансах данного вопроса, понять основные принципы и правила осуществления заряда любого типа аккумуляторной батареи.
Учитывая то, что сегодня выпускается огромное количество разных видов АКБ, стоит понимать, что для каждого из них свойственны определённые принципы и особенности. Их можно изучить в инструкции по эксплуатации, которая должна обязательно прилагаться к каждому изделию. Наша компания всегда ответственно относится к выполнению этого требования! Но к сожалению, не всегда и не у всех есть время и желание на поиск нужного пункта в длинном перечне характеристик. Поэтому в этой статье мы постарались описать основные правила, которые можно применить к наиболее часто используемым аккумуляторам. В основном это свинцово-кислотные герметичные необслуживаемые АКБ для ИБП , сигнализации, лодок, электромобилей, электромоторов , а также гелевые и AGM батареи. Стоит отметить, что ниже перечисленные правила, некоторым образом относятся и к автомобильным стартерным аккумуляторам, несмотря на то, что процесс их заряда имеет определённые особенности.
Как заряжать АКБ
Итак, начинаем разбираться, из каких этапов состоит правильный заряд аккумулятора. В первую очередь, хотим обратить ваше внимание на один важный фактор, который относится абсолютно к ЛЮБОМУ ВИДУ АКБ: чем реже разряжается батарея, и чем менее глубоким будет каждый её разряд, тем дольше она прослужит! Наверняка вы неоднократно слышали такой миф, что любую батарею необходимо полностью разряжать, а потом полностью заряжать, и что именно этот фактор влияет на длительность её срока службы. А ещё многие некомпетентные «умники» утверждают, что аккумулятор необходимо обязательно изредка разряжать, чтобы он не испортился. Так вот, уважаемые покупатели, уверяем вас – это неправда!
Если при покупке аккумулятора, один из продавцов станет рассказывать вам похожую ерунду, лучше не делайте приобретения в этой торговой точке. Отсутствие подобной «встряски» в виде полного разряда/заряда может быть действительно губительным только для некачественных АКБ, изготовленных из «грязного» вторсырья. Это случается по причине того, что поверхность пластин таких батарей излишне загрязнена, а это сильно мешает нормальному процессу электролиза. А вот для высококачественных аккумуляторов самым комфортным и правильным является режим буферного подзаряда без глубоких разрядов. При этом батарея должна всё время находиться под правильным напряжением.
Изучая вопрос зарядки, стоит учитывать также эффект памяти определённых АКБ. Эффектом памяти называют обратимую потерю ёмкости, которая может возникать в некоторых видах электрических батарей, зарядка которых осуществляется с нарушениями рекомендованного режима. А именно при подзарядке не полностью зарядившейся АКБ. Это название придумали из-за внешнего проявления такого эффекта. Часто бывает, что аккумулятор «запоминает» тот факт, что в прошлые циклы работы ёмкость была израсходована не полностью, поэтому при разряде он отдаёт свою энергию только до «запомнившейся» черты. Это характерно для таких типов АКБ: Никель-металл-гидридный (Ni-MH), Никель-кадмиевый (NiCd), Серебряно-цинковый.
Итак, переходим непосредственно к вопросу правильного заряда аккумулятора. Для этого вы должны знать, в каком режиме эксплуатируется конкретная батарея.
Что такое буферный режим работы
Наиболее понятный и самый распространённый пример буферного режима работы батареи – это источник бесперебойного питания, так называемый ИБП (он же UPS) . В ИБП аккумулятор подзаряжается постоянно, он начинает отдавать накопленную энергию только тогда, когда в сети нет тока. Как только возобновляется подача электричества, батарея снова начинает заряжаться. Это наиболее правильный, и наиболее щадящий режим работы. Именно поэтому при буферном режиме аккумуляторные батареи служат значительно дольше. Если рассмотреть в качестве примера наши батареи EverExceed серии ST, которые изготовлены по технологии AGM нового поколения, то у них срок службы в буферном режиме при Т=20 о С – 12 лет!
Что такое циклический режим работы
Из более ярких примеров использования циклического режима можно выделить несколько наиболее популярных: детские авто в парке аттракционов, поломоечная машина, система автономного электроснабжения с применением альтернативных источников энергии (ветряки, солнечные батареи и другое). Аккумуляторы в таком оборудовании необходимо разряжать/заряжать каждый день, а иногда и дважды в день. Поэтому циклический режим является наиболее беспощадным для батареи, и её срок службы уже не исчисляется годами, а зависит от количества циклов и их глубины.
Стандартные AGM аккумуляторы могут осилить до 280 циклов, в то время как современные аккумуляторы EverExceed серии ST , о которых мы писали ранее, способны обеспечить до 600 циклов полного 100% разряда! Очень удивляют ситуации, когда горе-продавцы рекомендуют покупателям для оборудования с явно циклическим принципом работы, например, мобильная кофемашина, приобрести автомобильный стартерный аккумулятор. При этом основной аргумент такой «подмены» – это дешевизна. Так вот, сообщаем всем, кто сталкивался или ещё столкнётся с подобным предложением : у стартерных батарей довольно тонкие пластины, они способны только на запуск двигателя, а дальше они сами подзаряжаются от работающего генератора. При циклическом режиме с частыми глубокими разрядами они не смогут проработать и двух месяцев, их пластины попросту начнут осыпаться. Вот и подумайте, действительно ли это дёшево?!
Как правильно заряжать аккумулятор в буферном режиме
Один элемент свинцово-кислотной батареи выдаёт 2 Вольта. Стоит отметить, что по факту ровно 2 V, как правило, не бывает, но так проще для обозначения. В бытовом применении используются АКБ по 3 и 6 элементов, то есть по 6 V и 12 V соответственно.
Для буферного режима напряжение заряда стоит выставлять по 2,27 V — 2,30 V из расчёта на один элемент. Таким образом, для 12-ти вольтовой батареи нужно 13,6 V – 13,8 V, а для 6-ти вольтовой 6,8 V – 6,9 V. Такие параметры рекомендованы и для гелевых аккумуляторов и для AGM.
Необходимо, чтобы ток заряда был ограничен в размере 30% от номинальной 10-ти часовой ёмкости батареи , выраженной в А (ампер). Для гелевых аккумуляторов достаточно – 20%. Например, для АКБ с ёмкостью С 10 =100 Ач ограничение тока заряда равняется показателю в 30 ампер, а для гелевых батарей – 20 А.
Правила заряда аккумуляторов в циклическом режиме
В циклическом режиме напряжение заряда необходимо установить на уровне 2,4 — 2,45 В/Эл (то есть для 12-ти вольтовой батареи это 14,4 В – 14,7 В, а для 6-ти вольтовой – 7,2 В – 7,35 В). Это условие применимо только для AGM аккумуляторов.
Для гелевых батарей необходимо: 2,35 В/Эл , то есть 14,1 В на 12-ти вольтовую АКБ или 7,05 В на 6-ти вольтовую.
Необходимый ток заряда: 20% от С 10, то есть для батареи ёмкостью 100 Ач — это 20 А.
Продолжительность заряда аккумулятора
Время заряда будет полностью зависеть от степени разряженности АКБ. В первые минуты осуществляется бустерный (быстрый) заряд. Далее, по мере того как батарея «насыщается» током, уровень потребляемой энергии снижается, и достигает своего минимума при 100% заряде аккумулятора. Поэтому основным показателем заряженности является падение уровня принимаемого тока до отметки 2-3 мА на каждый Ач ёмкости АКБ. Но, стоит понимать, что это правило справедливо только при буферном заряде. ПРИМЕР: для АКБ с параметрами С 10 =100 Ач падение тока зарядки до 200-300 мА означает, что она уже практически заряжена. Для того чтобы довести уровень зарядки до 100%, необходимо ещё около часа. Среднее время заряда аккумулятора:
- при буферном режиме 30-48 часов;
- при циклическом – 10 часов.
Обратите внимание! Существует одно негласное правило: для действительно полной зарядки аккумулятора, ему необходимо набрать на 20% энергии больше, чем привычный уровень номинальной ёмкости. То есть, АКБ нужно немного перенасытить для того, чтобы внутри неё завершились определённые электрохимические процессы. Это обеспечить более полную дальнейшую отдачу. Такой «закон» одинаково работает для любого вида и типа аккумуляторов.
Помните: заряжать аккумуляторные батареи желательно при температуре воздуха в помещении 20 – 25 о С!
При более низкой температуре время заряда существенно увеличится, а вот производить зарядку АКБ при температуре воздуха ниже 0 о С вообще не стоит, процесс может оказаться безрезультатным! В идеале желательно, чтобы ваше зарядное устройство имело функцию термокомпенсации.
Что такое буферный режим использования ибп powercom
Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор
Данная заметка посвящена вопросу заряда аккумуляторов. И правильному подбору зарядного устройства для стационарных необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов.
Сразу должно оговориться, что есть соответствующие ГОСТы, такие, как МЭК 60896, ГОСТ 26881-86, которыми руководствуются специалисты на предприятиях в телекоммуникационных, инженерных компаниях и где все подробно описано: как проводить заряд, какие правила эксплуатации и плановой замены аккумуляторов.
Я же расскажу самые основы для частных покупателей аккумуляторных батарей как правильно их заряжать.
1. Определение режима использования аккумуляторной батареи
Параметры заряда определяются режимом использования аккумуляторной батареи. Вы, наверное, замечали, что в документации на аккумулятор и на самом корпусе аккумулятора всегда указываются константы для двух разных режимов работы.
Буферный режим
Буферный режим (STANDBY USE) – аккумулятор находится в режиме постоянного подзаряда в составе оборудования. Примеры систем с буферным режимом работы АКБ:
- источники бесперебойного питания (ИБП)
- пожарные и охранные системы
- системы аварийного освещения
- лифты
В такое оборудование уже встроена система автоматического подзаряда с оптимально настроенными параметрами. Обычно, ток заряда составляет
10 % от емкости аккумулятора. Например, для аккумулятора ETALON FORS 1207 (12 В 7 Ач) оптимальный ток заряда 0,7 А. Аккумулятор при таком режиме никогда не доводится до состояния глубокого разряда и прослужит максимально долго — при разряде аккумулятора до разумного низкого уровня, устройство отключиться и завершит аварийное питание нагрузки. АКБ ETALON FORS 1207 в таком режиме будет работать до 5 лет.
Циклический режим
Второй режим — циклический (CYCLE USE), наиболее стрессовый для аккумуляторной батареи. Это режим работы аккумуляторов в электромобилях, электролодках, электропогрузчиках и т.д. В этом режиме аккумуляторы используются и в детских электромобилях, электромотоциклах, квадроциклах, самокатах и т.д. При работе в циклическом режиме аккумулятор разряжается, потом ставится на заряд и снова разряжается. Срок службы в таком случае будет определяться не рекомендованным сроком использования, а допустимым количеством циклов заряда-разряда аккумулятора.
Свинцово-кислотные AGM аккумуляторы ETALON FORS имеют циклический ресурс до 250 циклов при разряде 100 %, и до 1200 циклов при разряде 30 %.
Именно в этом режиме актуален вопрос своевременного заряда и правильного хранения.
2. Выбор зарядного устройства для АКБ
Существует много правил и методов заряда аккумулятора, те же ГОСТы в помощь, в том числе одноступенчатые постоянным током, двухступенчатые (сначала постоянное напряжение и затем постоянный ток), комбинированные, с дозарядом и т.д. Но если вы не увлеченный инженер и речь идет о циклическом режиме использования АКБ, лучше всего заряжать аккумуляторы современными зарядными устройствами для AGM аккумуляторов, со встроенным «умным» процессором. Такие ЗУ способны самомтоятельно подбирать опримальные токи заряда и контролируют процесс заряда.
Зарядное устройство подбираем по следующим параметрам:
- подходит для стационарных аккумуляторов
- диапазон заряжаемых емкостей соответствует емкости аккумулятора (оптимальный зарядный ток 10–20 % от емкости аккумулятора. Технический максимум 30 % емкости, но не больше)
- соответствует напряжению аккумулятора (12 В или 6 В)
- наличие в комплекте поставки коннекторов для подключения к АКБ
- наличие встроенных индикаторов состояния заряда
- наличие защиты от короткого замыкания, переполюсовки, перезаряда аккумулятора
- наличие инструкции на русском языке
Примечание 1000 ВА: Подробно мы рассматривали зарядные устройства в нашей статье Как мы выбирали зарядное устройство для продаж через интернет-магазин.
3. Проверка параметров зарядного устройства
Общее правило – ток заряда и напряжение должны соответствовать указанным на корпусе аккумулятора и в техническом описании конкретной модели.
Интервал напряжений заряда в циклическом режиме всегда приводится на лицевой стороне АКБ. Для приведенного на иллюстрации аккумулятора, оно составляет 14,5–15 В. В аккумуляторах 6 В интервал напряжений этого производителя будет 7,25–7,5 В.
При выборе зарядного устройства обязательно обращайте на это внимание!
4. Периодичность заряда АКБ
Когда может возникнуть необходимость в заряде аккумулятора?
1) Перед началом использования. Введение аккумуляторов в работу должно производиться при достижении ими номинальной емкости. Приборов для определения заряда аккумулятора много, в том числе они встроены в зарядные устройства. Если аккумулятор перед началом использования разряжен, его нужно подзарядить.
Важно! Чтобы аккумулятор служил долго, его не рекомендуется разряжать более чем на 80 % номинальной емкости. Глубокий разряд, ниже 1,6 В на элемент, приводит к сульфатации и деградации пластин. Рекомендую не допускать в разряженных 12-вольтных аккумуляторах напряжения ниже 10,5 В.
2) После использования и перед хранением разряженный аккумулятор также нужно зарядить. Нельзя оставлять разряженный аккумулятор надолго, он должен храниться полностью заряженным.
3) Регулярно производить полный заряд аккумулятора в течение срока хранения, не реже 1 раза в 6 месяцев. Не забываем о естественном саморазряде 3 % в месяц! При низких или слишком высоких температурах хранения аккумулятор «садится» еще быстрее. При этом крайне желательно, чтобы за весь период хранения проводилось не более двух таких обслуживающих подзарядов.
5. Не забывайте про температурные условия заряда аккумулятора
- Параметры напряжения в технических условиях указаны для температуры в 20–25 °C.
Если заряжать аккумулятор приходится при другой температуры, то желательно вводить поправку в зарядное напряжение: учет термокомпенсации напряжения повышает срок службы аккумулятора. В бытовых условиях учесть это правило трудно, поэтому, при вожножности, заряд АКБ переносится в помещение с комнатной температурой.
- Не заряжайте принесенные с мороза аккумуляторы, дайте им отогреться в помещении несколько часов. Также нельзя заряжать и слишком нагретые АКБ.
- Практически бесполезно заряжать сильно разряженный аккумулятор — меньше 5 В для 12-тивольтового аккумулятора. При напряжении в 7 В аккуулятор иногда удается «вытянуть», но, в таком случае, не стоит рассчитывать на гарантированное восстановление емкости аккумулятора. Для 6-тивольтовых аккумуляторов приведенные значения, соответственно, делим на два.
Сколько времени нужно заряжать аккумулятор
Время заряда зависит от степени разряженности аккумулятора, напряжения и тока заряда.
Если погрузиться в теорию и расписать, какие параметры нужно учесть, чтобы правильно определить время заряда, то получится вполне качественная диссертация. Которая еще и вызовет ожесточенные споры среди профессионалов.
Поэтому, как было рекомендовано выше, выбирайте зарядное устройство по следующим правилам:
- Напряжение зарядного устройства должно попадать в интервал напряжения циклического режима, приведенного на лицевой стороне аккумулятора.
- Ток заряда ЗУ должен попадать в интервал от 10 до 20 % от емкости аккумулятора.
- Зарядное устройство должно быть автоматическим.
и можете считать, что вне зависимости от разряженности аккумулятора, за ночь он зарядится полностью. При этом, если аккумулятор разряжен не полностью, то автоматическое зарядное устройство дозарядит его и перейдет в режим компенсации саморазряда без вреда для аккумулятора.
Как правильно заряжать аккумулятор
Итак, давайте разберемся, что представляет из себя правильный заряд аккумуляторной батареи. Для начала хотим обратить внимание на одно общее правило, касающееся ВСЕХ БЕЗ ИСКЛЮЧЕНИЯ видов аккумуляторов, известных науке: чем меньше раз разряжается аккумулятор и чем менее глубоким является каждый отдельно взятый его разряд, тем большим будет срок его службы. Все мифы о том, что аккумулятор (какой бы он ни был!), нужно каждый раз полностью разряжать, а затем полностью заряжать, и только так он прослужит максимально долго, а также утверждения «знатоков», что, мол, надо обязательно периодически разряжать аккумулятор, иначе он испортится — полная чушь! Если Вам предлагают купить аккумулятор и при этом рассказывают подобные «истории» — держитесь от таких продавцов и их продукции подальше. Для низкокачественных батарей, производимых из «грязного» вторсырья, отсутствие периодической «встряски» в виде разряда-заряда может действительно быть причиной быстрого выхода из строя (из-за того, что пластины данных АКБ чрезмерно загрязнены, и без «встрясок» данная «грязь» быстро обволакивает поверхность пластин и мешает нормальному прохождению процесса электролиза). Но для качественных аккумуляторов наиболее излюбленным является именно режим постоянного (буферного) подзаряда, при котором практически отсутствуют разряды, а сама АКБ постоянно пребывает под правильным напряжением.
Здесь надо учитывать также эффект памяти некоторых аккумуляторных батарей — в настоящий момент под эффектом памяти понимается обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима зарядки, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора. Название связано с внешним проявлением эффекта: аккумулятор как будто «помнит», что в предыдущие циклы работы его ёмкость не была использована полностью, и при разряде отдаёт ток только до «запомненной границы». Никель-металл-гидридный (Ni-MH), Никель-кадмиевый (NiCd), Серебряно-цинковый аккумулятор.Переходим ближе к делу. Чтобы правильно заряжать аккумулятор нужно понимать, в каком режиме он у Вас эксплуатируется.
Что такое буферный режим работы
Самый яркий пример буферного режима работы аккумулятора – ИБП (источник бесперебойного питания, он же UPS). В ИБП аккумуляторная батарея находится на постоянной подзарядке и отдает энергию лишь тогда, когда пропадает электричество в сети, а как только оно появляется, аккумулятор тут же подзаряжается. Это самый щадящий режим работы и именно в буферном режиме, как мы уже говорили, аккумуляторы служат дольше всего (например батареи производимые по технологии AGM нового поколения, имеют срок службы в буферном режиме при Т=20 о С — 12 лет).
Что такое циклический режим работы
Пример циклического режима использования АКБ – поломоечная машина, детский электромобиль в парке аттракционов, либо же система автономного электропитания с использованием альтернативных источников энергии (солнечных батарей, ветряков и т.д.). Аккумуляторы в этих приложениях разряжают-заряжают как минимум 1 раз в сутки. Такой режим является наиболее суровым, и срок службы АКБ тут уже исчисляется не годами, а количеством циклов разряд-заряда (ну и их глубины, естественно). Всегда очень удивляет, когда в приложениях с явно циклическим характером работы (те же системы электропитания на солнечных батареях, либо мобильные кофемашины) некоторые «умельцы» предлагают использование стартерных автомобильных аккумуляторов (аргумент — их дешевизна!). Уведомляем всех, кто столкнулся с подобным предложением: стартерные АКБ имеют тонкие пластины, они рассчитаны лишь на запуск двигателя и дальнейшую подзарядку от генератора, в циклическом же режиме с глубокими разрядами они не прослужат и пары месяцев — их пластины «посыпятся» и на этом эксперемент с «дешевым аналогом» будет завершен.
Как правильно заряжать аккумулятор в буферном режиме:
Всем известно, что номинальное напряжение одного элемента в свинцово-кислотных АКБ = 2 Вольта (отметим, что на практике оно обычно никогда не равняется строго 2 В, но для простоты применяется именно такое число). В быту наиболее часто используются аккумуляторные батареи напряжением 6 Вольт (3 элемента) и 12 Вольт (6 элементов).
В буферном режиме напряжение заряда следует выставить на уровне 2,27 — 2,30 Вольт на элемент (то есть для 12-вольтового аккумулятора это 13,6 — 13,8 В, а для 6-вольтового — 6,8 — 6,9 В). Это подходит как для AGM, так и для гелевых батарей.
Ток заряда должен быть ограничен в величину, равную 30% от номинальной 10-часовой емкости аккумулятора, выраженную в Амперах (для гелевых аккумуляторов — 20%). Например, для батареи с емкостью С10=100 Ач ограничение тока заряда должно составлять 30 А (для гелевых АКБ — 20 А).
Как правильно заряжать аккумулятор в циклическом режиме:
Напряжение заряда:
2,4 — 2,45 В/эл. (14,4 — 14,7 В на 12-вольтовую батарею или 7,2 — 7,35 В на 6-вольтовую) — для AGM-аккумуляторов;
2,35 В/эл (14,1 В на 12-вольтовую батарею или 7,05 В на 6-вольтовую) — для гелевых аккумуляторов.
Ток заряда:
20% от С10 (для батареи емкостью 100 Ач — это 20 А).
Сколько должен длиться заряд батареи
Продолжительность заряда зависит от изначальной заряженности (разряженности) батареи. Поначалу идет быстрый заряд (бустерный), но по мере насыщения потребляемый ток снижается, доходя до минимума при достижении полной заряженности АКБ. Критерий полной заряженности — падение тока, который принимает аккумулятор, до 2 — 3 мА на каждый Ач емкости батареи (при буферном заряде). Например, для той же С10=100 Ач батареи падение тока зарядки до 200 — 300 мА будет означать, что батарея почти полностью заряжена. Чтобы довести уровень заряда АКБ до 100%, следует продолжать зарядку таким милли-током еще около 1 часа. Обычно, полностью разряженная батарея заряжается за 10 часов в циклическом режиме или за 30-48 часов в буферном.
Следует учесть, что для полной зарядки аккумуляторной батареи ей следует сообщить примерно на 20% энергии больше, чем следует из понятия “номинальная емкость”. Это, как говорится, законы природы, и они едины для всех свинцово-кислотных да и других батарей, независимо от вида и производителя. Образно говоря, если батарею не «перенасытить», в ней не завершатся должные электрохимические процессы и дальнейшая отдача будет меньше.
Производить зарядку аккумуляторных батарей желательно при температуре окружающей среды 20 – 25 о С.
При меньшей температуре заряжать необходимо более длительное время. Зарядка аккумулятора при температуре менее 0 о С становится крайне нежелательной (ибо почти безрезультатна). Желательно также наличие функции термокомпенсации (изменения напряжения заряда в зависимости от температуры окружающей среды) на Вашем зарядном устройстве.
Технологии, используемые в ИБП POWERCOM
Задачей корректора ККМ, является сведение к нулю сдвига фаз между током и напряжением, или, иными словами, нейтрализация емкостной и индуктивной составляющих нагрузки преобразователя напряжения. Результатом активной коррекции КМ является следование входного тока ИБП питающему напряжению. Введение ККМ как достаточно сложного устройства пока приводит к заметному удорожанию и усложнению продукта в целом (конечно, по мере совершенствования технологии цена снижается). Тем не менее уже сейчас введение ККМ в ИБП дает ряд очень важных преимуществ, с лихвой окупающих это усложнение:
- Первым и самым важным преимуществом является тот факт, что при использовании ККМ с той же электропроводкой, без нарушения каких-либо норм можно использовать как минимум втрое-вчетверо более мощные ИБП. Кстати, никакого нарушения физических (и юридических) законов здесь нет.
- Второе, не менее важное, но редко упоминаемое преимущество состоит в том, что обеспечить высокую энергоемкость устройства с ККМ намного легче, чем без него. Энергоемкость — это мера способности блока питания отдавать в течение некоторого времени мощность в нагрузку, не «просаживая» сеть и не сильно снижая выходное напряжение.
- Третье преимущество — источник питания с ККМ по принципу действия стабилизирует выходное напряжение. Поэтому выходная мощность ИБП перестает жестко зависеть от напряжения сети — даже при «просевшей» сети в нагрузку отдается полная мощность.
Компания POWERCOM во всех своих он-лайновых ИБП использует активную коррекцию коэффициента мощности на основе специализированных микросхем ШИМ управления и IGBT транзисторов. Такое решение является эффективным и недорогим. При этом удается получить КМ порядка 99,9%.
Улучшенное управление батареями ABM (Advanced Battery Managment)
Известно, что в аккумуляторной батарее постоянно протекают процессы саморазряда. Для их компенсации обычно в ИБП осуществляют непрерывный подзаряд батареи малым током. Постоянно проходящий через батарею слабый ток вызывает изменения химического состава активных веществ, коррозию решетки и осыпание активной массы положительных пластин. Это приводит к необратимому падению емкости батарей, их срок службы сокращается, и реальное время батарейной поддержки уменьшается.
В различных моделях ИБП компания POWERCOM реализует алгоритм управления зарядом батарей разной степени сложности. Для примера можно рассмотреть подробнее самый совершенный алгоритм работы зарядного устройства, реализованный в ИБП серии «Vanguard».
Новый цикл зарядки батарей стартует в следующих случаях:
- после каждого включения ИБП кнопкой ON на лицевой панели;
- если ИБП переходил в режим резервного питания нагрузки от батарей на время больше 20 секунд;
- если OCV (open cell voltage) или, другими словами, напряжение на батареях без нагрузки понизится до уровня 2.10VPC (Volt per Cell) — напряжения на элементе в течение времени покоя;
- после 30 дней работы ИБП в режиме покоя.
Зарядные циклы.
Заряд батарей проходит в три фазы.
Уровень полного разряда батарей определяется исходя из величины нагрузки. Другими словами, важно, чтобы батареи разряжались током, близким к номинальному, а разряд малыми токами не вызывает резкого падения напряжения на элементах, при этом емкость аккумулятора падает, но отследить порог истощения гораздо сложнее. Поэтому в модели Vanguard данные измерения мощности, поступающей в нагрузку, обрабатываются микроконтроллером, который в свою очередь устанавливает разный порог конечного напряжения на батареях. При нагрузке до 40% аварийным считается напряжение 1.80VPC, при большей нагрузке — 1.67VPC.
Температурная компенсация во время заряда
Как известно, химические процессы в аккумуляторах очень сильно зависят от температуры окружающей среды. Все режимы работы ИБП рассчитываются при температуре 25 °С, как самой оптимальной для батарей. Для того чтобы точно определить конечное напряжение при заряде аккумуляторов, на плате управления ИБП Vanguard находится датчик температуры, измеряющий температуру внутри корпуса, затем микроконтроллер вычисляет нужную величину исходя из поправочного коэффициента — 3mV °С
10 °C 25 °C 50 °C Референсное напряжение зарядного устройства Vref+0.1 2.48VPC 2.435VPC 2.36VPC Напряжение в конце цикла заряда Vref+0.05 2.43VPC 2.385VPC 2.31VPC Референсное напряжение в режиме заряда постоянным напряжением Vref 2.38VPC 2.335VPC 2.26VPC Минимальный уровень в режиме покоя constant 2.13VPC 2.13VPC 2.13VPC Таблица значений конечных напряжений при разных температурах:
Алгоритм работы по технологии ABM благоприятно сказывается на состоянии батарей и увеличивает их срок службы, тем самым уменьшая общую стоимость ИБП.
Режим высокой эффективности
Во время каждого преобразования энергии (выпрямление — инвертирование) определенная часть энергии рассеивается. Обычно ИБП класса онлайн имеют КПД на уровне 86%. В дополнение к обычному режиму постоянной работы на линии в серии ИБП «Vanguard» используется новая функция оптимизации эффективности, которая обеспечивает реальную экономию. Эта функция минимизирует потери и снижает потребляемую мощность. КПД в таком режиме достигает 95%.
В зависимости от качества электроснабжения ИБП автоматически переключается между режимом постоянной работы на линии и обходным режимом. Если качество сетевого напряжения неудовлетворительное, ИБП находится в режиме постоянной работы на линии с двойным преобразованием. Если сетевое напряжение хорошего качества и не содержит помех, ИБП автоматически переключается в обходной режим, уменьшая, таким образом, потери на преобразование. В то же время ИБП регистрирует любые дефекты сетевого напряжения и мгновенно возвращается в режим постоянной работы на линии. При работе в режиме высокой эффективности переключение ИБП происходит в случае, если:
- входное напряжение отклоняется от номинала более чем на ±10% (можно выбрать ±15%),
- частота входного напряжения отклоняется от номинала более чем на ±3Гц,
- питание от сети прерывается.
Режим высокой эффективности является стандартным для ИБП и может включаться с панели управления. При необходимости режим энергосбережения может быть запрещен, и ИБП будет постоянно находиться в режиме работы на линии (двойное преобразование). По умолчанию режим энергосбережения выключен.
Возможность сегментации нагрузок
Например, у модели «Vanguard» имеется возможность раздельного управления сегментами розеток. Это сделано для того, чтобы эффективней использовать ресурс батарей и максимально увеличить время батарейной поддержки для самых важных потребителей. Управление сегментами осуществляется с лицевой панели ИБП.
Высокочастотный IGBT инвертор
Во всех моделях ИБП класса онлайн производства POWERCOM используется инвертор по схеме с широтно-импульсной модуляцией на мощных IGBT транзисторах. Управление силовыми транзисторами происходит на частоте порядка 20 кГц и осуществляется непосредственно центральным микропроцессором, описывающим в цифровом виде форму выходной синусоиды. Далее этот цифровой код преобразовывается специализированным цифро-аналоговым преобразователем, и сформированный сигнал поступает на управляющие схемы силовых ключей через гальваническую развязку на оптронах. Это схемное решение является эффективным, так как позволяет при небольших затратах выдавать в нагрузку большую мощность и при этом уменьшить габариты индуктивных элементов инвертора.
Почему бесперебойники так быстро убивают аккумуляторы
Источники бесперебойного питания (ИБП) или просто «бесперебойники» мрут как мухи. Вернее не сами устройства, а аккумуляторы в них. Выходят они из строя очень быстро, хотя производитель порой заявляет что срок их службы может доходить до 10 лет. Вы видели, чтобы хоть один бесперебойник прожил столько времени без замены аккумуляторов? Лично я — нет.
Поработают они пару лет от силы и происходит непоправимое. в чём же дело? А дело всё в зарядке и несоблюдении температурных режимов работы. Как следствие трещины и вздутия корпуса, а внутри у нас «погремушка», так как пластины уже развалились.
Небольшой лафхак, как убедиться что батарее пришёл конец, если внешне она выглядит нормально? Попробуйте её потрясти. Внутри ничего не должно громыхать.
Рекомендации по условиям зарядки прописаны на корпусах аккумуляторных батарей (Constant voltage charge):
- STANDBY USE — напряжение которое держит бесперебойник на полностью заряженном аккумуляторе, но пока не используется (на батарею подается слабый ток подзаряда);
- CYCLE USE — напряжение источника зарядного тока, которым заряжается батарея;
- INITIAL CURRENT. Начальный ток зарядки аккумулятора. Максимальный ток заряда зависит от емкости аккумулятора (Ампер/час, Ah).
Производители бюджетных моделей бесперебойников не всегда соблюдают эти рекомендации или просто не заморачиваются с выставлением нужных значений, хотя такая возможность и заложена в схемотехнике аппарата.
Так, в распространенном ИБП Powercom BNT-600 на плате есть подстроечный резистор VR1, которым можно выставить конечное напряжение заряда. У меня имеется два подобных бесперебойника, но разных годов выпуска. Так вот, на более старом напряжение зарядки выставлено 13,8V и аккумулятор до сих пор живой, а в новом оно составляло 14,5V и батарею пришлось заменить.
Не надо забывать и о второй проблеме с температурным режимом. На многих аккумуляторах пишут, что данный диапазон напряжений для обоих режимов справедлив при 20°C, но не секрет что бесперебойники (особенно самые дешёвые) греются на ровном месте как утюги.
Батареи в большинстве бесперебойников находятся в непосредственной близости от трансформатора, который может нагреваться на холостом ходу до 40-50°C, что резко снижает срок службы АКБ. По этой причине, в первую очередь, электролит высыхает в банках расположенных ближе к трансформатору.
Продлить срок службы аккумулятора, в данном случае, можно установкой вентилятора или «заколхозить» дополнительные отверстия в корпусе. Можно поступить более радикально и вынести АКБ за пределы корпуса на толстых проводах (так ещё делают при замене обычной батареи бесперебойника на автомобильный аккумулятор).
Если считаете статью полезной,
не ленитесь ставить лайки и делиться с друзьями.
GIGABYTE B460M DS3H пищит 5 раз и не включается: не работает процессор? а вот и нет. 
Обход блокировок. Как без проблем скачивать фильмы с Рутрекера 
Типовые неисправности пультов и как их устранить своими силами 
Как пятирублёвой монеткой заставить Kyocera M2735dn печатать без картриджа 
Как переводить PDF документы на русский язык. Простой онлайн вариант без регистрации 
Почему застревает бумага в принтере при печати. Типичная проблема Kyocera M2530 и как её устранить
Комментариев: 10
температура и повышенное напряжение высушивают батарею, либо её рвёт давлением при выходе из строя зарядника внутреннего
Чушь, мой UPS отработал более 10 лет.
Роман, а пробовали делать аварию — вынуть шнур питания из розетки?
Согласен. Добавлю только один неописанный фактор — убыль воды из электролита в результате электролиза и превращения в водород и кислород. Правильная настройка напряжения окончания заряда несколько продлевает срок службы. Восполнить потерю воды из электролита можно при помощи дистиллированной воды (воды для инъекций) и шприца. Защитой для глаз при этом пренебрегать нельзя! Немало аккумуляторов удалось восстановить таким способом. Однако, если напряжение аккумулятора упало заметно ниже 10В, и еще это обнаружили не сразу — ни один доктор не поможет. На помойку. Лично мне это надоело и для себя собрал батарею из литий- железо- фосфатных аккумуляторов без платы балансировки. 3 года полет нормальный. Кто-то ставит ионисторы — не пробовал.
Аноним, не путайте напряжение циклического и буферного режима. Если свинец заряжать до 14,5В и оставлять с этим напряжением надолго, то АКБ больше года не протянет. А если снизить напряжение буферного режима до 13,5В, то на несколько лет хватит.
Всё правильно. Максимальное напряжение заряда кислотно-свинцовых аккумуляторов — 14,8 В; минимальное — 13,8 В, номинальное — 14,3 В, на которое настроены реле заряда автомобилей. Но есть ещё много факторов, влияющих на продолжительность жизни аккумулятора: температура, настройка ПО, стабильность питающей сети, и т.д., и т.п.
Месяц назад,вызвал мастера д,для ремонта ИБП.Мастер поступил более радикально и вынести АКБ за пределы корпуса,жду когда вернётся.—-АКБ- Попробуйте её потрясти.ничего не должно громыхать.А со слабыми ручками,не обязательно самому трясти АКБ.Положите батарею в бетономешалку(там пусть трусится) и прислушивайтесь на здоровье.
Очень сильно зависит от качества батарей. У приличных производителей — Yaesu, CSB, Long, Panasonic,BB срок службы — порядка 5 лет. При работе в идеальных условиях — до 6-7 лет. Проверку состояния батарей можно сделать через три года.
Средний ценовой диапазон — DELTA, будут ходить около 3-4 лет. Проверку нужно сделать уже через два года после замены.
У неприличных производителей — это разного рода, Китай, батареи надо проверять ежегодно и выбрасывать все потерявшие емкость.
Чем ещё интересны китайцы. Noname-китайцы могут сделать в батарее только половину секций, а вторую половину — забить стеклом для веса. Даже исправный элемент имеет половину емкости. Единственный выход — закуп у проверенных поставщиков.
Батареи, используемые в ИБП — имеют AGM тип (Absorbed Glass Mat — Батарея с абсорбирующим стеклянным матом)
Батареи не предназначены для долгого лежания на складе. Срок установки для AGM батарей, составляет в среднем, полгода со дня даты производства (смотрите инструкцию).
При более длительном хранении возможна потеря свойств и преждевременный выход из эксплуатации.
Ещё одна особенность эксплуатации, связанная с конструкцией AGM — тепловой разгон. Ему подвержены все батареи, фактор риска — работа в жарком помещении (работа при температуре +30/+40С окружающего воздуха уменьшает ресурс вдвое) но особенно ему подвержены те, у которых подходит к концу срок эксплуатации.
Точные причины инженеры IEEE систематизировали, но до конца химия и физика процесса не совсем понятна.
При тепловом разгоне температура батареи начинает расти до 120-150 градусов. Электролит выкипает. Частично при этом производится сероводород, так что в серверной пахнет характерным тухлым запахом,
Но, что самое опасное — при этом процесс переходит на соседние элементы, а иногда и на соседние блоки.
В стандартной конструкции ИБП APC предусмотрено
8шт 12V*5Ah элементов в блоке, четыре блока соединяются в батарею (с выходом по постоянному напряжению 192-200V). Блоки объединяются параллельно до 10 штук.
Я видел до трех неисправных батарей расплавившихся за один раз (3 * 4 * 8 = 96 шт стандартных 12V*5Ah вышедших из строя одновременно)
ИБП, даже большое и дорогое — трехфазные APC (типа лидеры рынка) достаточно тупое устройство. Всё что он может — измерять ток и напряжение на присоединённой суммарной батарее постоянного тока. Обнаруживать неисправности на отдельных элементах — он не может. Мониторинг тока и температуры на ИБП — это считается дорогим решением.
Что могу сказать, как человек, восстанавливающий свой домашний аккум после 2 лет работы. Высох бедняга. Буферный режим 13,7В убивает не только бесперебойники, но и дальнобойники, которые катаются по 10-15часов непрерывно. Сульфатация однако, и при снижении рабочей площади пластины растёт ток заряда и выкипание. Первая батарея отслужила 6 лет, но упса была в порядке, и производила кратковременный разряд каждые 2 дня. Потом с ней приключилась неприятность и функция была утрачена. Я не заметил, что она перестала пищать время от времени, и спустя год оригинальный аккум дал дуба. Следующий(который счас восстанавливаю) аккум прослужил 2 года до высыхания. Ёмкость уже растёт, держит снова нагрузку до 250Вт, не теряет напругу, как раньше.
Восстановление очень простое: доливка водички дистиллированной, чтоп закрыть маты стеклянные белые, дальше LMкой 317, выставляю стабилизированный ток 0,01Сн. Дальше лечит время. За месяц, не порванную и осыпавшуюся батарейку вполне можно вернуть к нормальной жизни.
Я заметил несколько другое: «родные» АКБ служат достаточно долго, особенно на APC, а вот те, которые уже покупаются на замену — больше двух лет не выживают. Даже если всё выставлено правильно и температура в норме.
Рекорд был — 10 лет, в прошлом году сменил АКБ, новый сейчас держит комп всего 2 минуты, а поначалу держал почти 10.
На более поздних и дешёвых UPS и АКБ попроще — до 4-х лет «родные» живут, не больше.