Бюджетные решения резервных источников питания

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 Uвх = 230 В.

Структурная схема модуля ADD-55 приведена на рис. 1. Для создания резервированного источника питания к модулю AD-55 (AD-155) нужно лишь подключить аккумуляторную батарею. Для ее подключения имеются специальные клеммы «B+» и «B–» (рис. 2). Параметры аккумуляторной батареи можно выбрать, зная ток нагрузки системы и необходимое время резерва [2].

Основные технические параметры преобразователей AD-55 и AD-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 °C;
• виды защит: от перегрузки по току, короткого замыкания, превышения выходного напряжения, разряда батареи; от неправильного подключения полярности батареи, подстройка выходного напряжения.

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 159 × 97× 38 мм и массу 0,5 кг, мощные версии AD-155, ADD-155 больше (199 × 110 × 50 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 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 °C (у моделей 30, 60 Вт) или –25…71 °C (у моделей 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 значений для каждой модели, указанных в таблице 2.

Алгоритм работы резервного источника питания приведен в таблице 3, а уровни сигналов на выходе Rdy (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 DC ON. Изделия большой мощности 120, 240, 480 Вт имеют дополнительную индикацию: при недостаточном выходном напряжении загорается красный светодиод DC LOW. Пороги срабатывания этой световой сигнализации приведены в таблице 4.

Источники питания/зарядные устройства Chinfa— предоставляют разработчику широкий выбор мощности — от 30 до 480 Вт. Они реализованы в корпусах для монтажа на DIN-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 DRAN30-12A* (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 разработчику 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. 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).

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-RDN20 (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 55,5 × 125,2 × 100 мм, что и популярные источники питания серии DR-75. DR-UPS40 и DR-RDN20 могут работать при температурах окружающего воздуха от –20 до 70 °C, соответствуют международным стандартам по уровню излучаемых помех EN55022 (CISPR22) класс B, по устойчивости к электромагнитным помехам EN61000-4-2 (3, 4, 5, 6, 8), ENV50204, требования к тяжелой промышленности, критерий A.

Следует отметить, что модули DR-RDN20 и DR-UPS40 можно использовать не только 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 DRUPS40. Источник бесперебойного питания можно получить, подключив еще модуль DRRDN20. 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