Аккумуляторная батарея (АБ) - один из основных элементов источника бесперебойного питания (ИБП). Ее объем составляет более 60% от общего объема ИБП, а цена - свыше 40% от его стоимос­ти. При этом АБ в процессе эксплуатации прихо­дится неоднократно менять, так как срок ее служ­бы - всего 5 лет, в то время как у второго основ­ного элемента - полупроводникового преобразо­вателя - более 20 лет. Кроме того, на срок служ­бы АБ влияют многочисленные негативные факто­ры. В статье рассмотрены технические решения, позволяющие устранить основные из них.

Низкое качество электроэнергии в системах электро­снабжения (СЭС) - провалы и выбросы напряжения, импульсные перенапряжения с амплитудой до 1000 В, про­падание напряжения - приводят к сбоям и отказам элек­тронной аппаратуры. Поэтому в мировой практике счита­ется, что недопустимо использовать сети для непосредс­твенного питания вычислительной техники, средств связи и автоматики. Такой режим возможен только как аварий­ный. Чтобы защитить электронную аппаратуру от помех из СЭС, применяют целый ряд дополнительных устройств: сетевые фильтры, кондиционеры питания, источники бес­перебойного питания. Сетевые фильтры защищают элект­ронную аппаратуру от импульсных помех. Кондиционеры питания предохраняют ее от импульсных помех, провалов и выбросов напряжения любой длительности и амплитуды до ±25% от номинального значения. Защиту электронной аппаратуры от всех проблем электропитания, в том числе от полного пропадания напряжения, обеспечивают источ­ники бесперебойного питания (ИБП).

В большинстве аппаратных дальней связи, АТС, в ра­диорелейной, космической и тропосферной связи приме­няют ИБП с выходом постоянного тока. Без таких ИБП не­возможна также работа автоматики на железнодорожном транспорте, эксплуатация интеллектуальных зданий, сис­тем пожарной и охранной сигнализации и многих других.

Сегодня на основе модулей питания и герметизирован­ных аккумуляторов даже самый неискушенный разработчик способен создать ИБП постоянного тока: достаточно подключить к стандартному модулю питания класса AC/DC аккумуляторную батарею (АБ) в буферном режиме. Для ак­кумулирования чаще всего используют герметизирован­ные кислотно-свинцовые батареи Fiam, которые оптими­зированы так, чтобы при буферном включении достигался наибольший эффект.

К сожалению, при таком простом включении возникает несколько проблем. Во-первых, возможен разряд ниже до­пустимой минимальной величины напряжения, что приво­дит к сокращению срока службы АБ. Чтобы исключить глу­бокий разряд, АБ отключают от нагрузки при снижении на­пряжения ниже допустимого уровня. Устройство отключе­ния состоит из компаратора, усилителя и реле. Контакты реле включены между плюсом АБ и плюсом нагрузки и от­ключают батарею от нагрузки при снижении напряжения на АБ ниже допустимого уровня. Во-вторых, при восста­новлении сети разряженная кислотно-свинцовая гермети­зированная АБ заряжается током, значительно превышаю­щим допустимое значение 0,25Q, где Q - значение но­минальной емкости АБ. В таком режиме заряда начинает­ся разогрев электролита и его испарение. Во избежание взрыва в АБ предусматривают стравливание избыточно­го газа через односторонний предохранительный клапан. Именно поэтому АБ классифицируются как герметизиро­ванные, а не герметичные.

Рис.1. Блок-схема устройства ограничения начального зарядного тока

Технические характеристики ИБП

Разные цифры соответствуют различной емкости АБ, которыми может комплектоваться данный ИБП.

Высокий начальный зарядный ток является основным фактором, негативно влияющим на срок службы АБ. Для уменьшения начального зарядного тока ранее в ИБП при­меняли сложные устройства управления и автоматики. На начальном этапе заряда они стабилизировали ток, а за­тем переводили преобразователь в режим стабилизации напряжения.

Авторы статьи предложили более простое и эффектив­ное решение для ограничения начального тока, в рамках которого в ИБП для преобразования энергии применяет­ся стандартный модуль питания, стабилизированный только по напряжению. Для ограничения тока используется це­почка из диода V1 и резистора R4, шунтируемая контактами реле через 20-30 минут после начала заряда (рис.1). Время выбирается так, чтобы к моменту замыкания контакта шун­тирующей цепи АБ зарядилась до напряжения, которое не позволяет зарядному току превысить величину 0,25Q.

При наличии сети и заряженной АБ выход компаратора находится в состоянии логической "1", усилитель открыт и питает обмотку реле, контактами которого АБ подключена к нагрузке. Модуль питания класса AC/DC обеспечивает питание нагрузки и ток содержания АБ.

Если сеть пропадает, нагрузка получает питание от АБ. Когда из-за разряда напряжение АБ уменьшается до минимально допустимого значения, срабатывает ком­паратор, и его выход обнуляется, усилитель закрывает­ся, а обмотка реле обесточивается. В результате контак­ты реле размыкаются, АБ отключается от нагрузки, а це­почка "диод V1 - резистор R4" готова к ограничению тока заряда при включении сети. Гистерезисный резистор R3 препятствует срабатыванию компаратора при повышении напряжения на клеммах разгруженной АБ. Резисторы R1, R2 на входах компаратора обеспечивают необходимый ток управления. Диод V1 препятствует разряду АБ на нагрузку при разомкнутых контактах реле.

Рис.2. временные зависимости зарядного тока и напряжения на клеммах АБ

В момент включения сети t₁ (рис.2) начинается заряд АБ по цепи: плюс модуля питания, диод V1, резистор R4, АБ, минус модуля питания. Состояние выхода компаратора - "0" (АБ разряжена), усилитель закрыт, реле обесточено. На­грузка питается от модуля. Ток заряда I₃ ограничивается на уровне 0,25Q с помощью резистора R4, величина которо­го может быть определена по формуле , где  - стабилизированное напряжение на выходе модуля питания,  - противоЭДС разряженной АБ.

В момент t₂ (см. рис.2) напряжение на инверсном вхо­де компаратора становится выше, чем напряжение на неинверсном входе, состояние выхода компаратора изменя­ется от "0" к "1", включается усилитель, обеспечивается током обмотка реле, контактом которого шунтируется цепь "диод V1 - резистор R4". АБ подключается в буферном ре­жиме к модулю питания. Ток заряда вновь увеличивается до значения 0,25Q и по мере заряда АБ снижается до зна­чения тока содержания (момент t₃ на рис.2).

Описанное устройство ограничения зарядного тока яв­ляется частью платы коммутации. В состав ИБП также вхо­дят: корректор коэффициента мощности, фильтр радиопо­мех и ограничитель импульсных перенапряжений сети, мо­дуль питания AC/DC, аккумуляторная батарея, плата управ­ления и индикации (рис.3).

Предприятие ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания" (АЭИЭП) выпускает более 30 вариантов ИБП в диапазоне мощности 150-600 Вт, которые оснаще­ны рассмотренным устройством ограничения тока. В них установлены АБ, обеспечивающие питание нагрузки от 5 до 120 минут. Основные узлы ИБП: модули питания KL400, КР800, KD1200, выпускаемые АЭИЭП, и АБ серии FG фир­мы Fiam. По данным компании "Сиэтл", АБ этой серии име­ют лучший показатель удельной стоимости: "цена / Q". Тех­нические характеристики ИБП приведены в таблице.

Указанные ИБП выпускаются с начала 2003 года, и за время эксплуатации не было случаев выхода АБ из строя. Это свидетельствует об эффективности разработанного устройства ограничения тока.

Рис.3. Блок-схема ИБП система беспроводной передачи электрической энергии

TexasInstruments объявила о поддержке инициативы компа­нии FultonInnovation (США) по продвижению на рынок разрабо­танной последней технологии беспроводной передачи энер­гии для питания электронных устройств - мобильных телефо­нов, ноутбуков и даже мощных инструментов. Разработанная компанией FultonInnovation технология, получившая название eCoupledIntelligentWirelessPower, обеспечивает электропита­ние с помощью микросхемы источника питания с индуктивной связью. Микросхема динамически ищет резонанс между источ­ником и получателем энергии и определяет требуемую для ра­боты получателя электроэнергию, срок службы прибора и ба­тареи, а также циклы ее работы до зарядки, регулируя тем са­мым работу основного источника питания в соответствии с пот­ребностью активируемого системой устройства. Связь с отде­льным устройством и/или многими приборами устанавлива­ется в реальном времени. Запатентованный компанией FultonInnovation протокол связи обеспечивает оптимальное питание прибора, необходимое для его работы с максимальной эф­фективностью. С помощью протокола идентификации система eCoupled практически сразу опознает находящийся в радиусе ее действия активируемый прибор или объект. Если объект не распознан, микросхема не активизирует катушку индуктивнос­ти и питание на объект не подается.

Система eCoupled способна подстраиваться под различные конфигурации питаемых приборов и под различные нагруз­ки (от милливатт до киловатт), адаптироваться к пространс­твенным изменениям. Эффективность передачи энергии сис­темы достигает 98%. (По данным Министерства энергетики США, 75% электрической энергии, предназначенной для пита­ния электронных приборов и устройств, используется вхолос­тую.) По затратам на передачу энергии система eCoupled срав­нима с ''традиционными" вариантами питания.

Другая особенность системы eCoupled - возможность переда­чи не только энергии, но и информации. Взаимодействуя с пи­таемыми устройствами в режиме реального времени, зарядное устройство на базе технологии eCoupled может получать све­дения о типе аккумулятора, его возрасте и емкости. Эти дан­ные затем могут быть использованы для оптимизации процес­са подзарядки.

Аналитики считают, что технология eCoupledIntelligentWirelessPower довольно увлекательна и сможет использоваться для со­здания новой экосистемы потребительских устройств с бес­проводным питанием и подзарядкой, что сделает мобильные устройства действительно "беспроводными".

Для демонстрации возможностей новой системы компания Fulton установила образец для питания кухонного блендера. (По мнению специалистов компании, питание мощных домаш­них устройств, таких как блендеры, грили, кофеварки, потреб­ляющих до нескольких киловатт энергии, более сложная за­дача, чем питание мобильных телефонов и МРЗ-плееров, для работы которых требуется всего 5 В.) Для подачи питания на блендер не требуется провод, достаточно его разместить на рабочую поверхность с вмонтированной системой eCoupled. Над коммерческой реализацией технологии eCoupled совмест­но с фирмой FultonInnovation до последнего времени работали компании Visteon, Motorola, HermanMiller и MobilityElectronics. Теперь с решением TexasInstruments о поддержке этой техно­логии за счет разработки микросхемы, которая позволит ми­нимизировать стоимость системы и уменьшить ее габариты, компания FultonInnovation рассчитывает выпустить систему eCoupled на рынок в 2009 году.

И. Плоткин, И. Твердов, к.т.н., С. Затулов, Д. Шашолка

Источник информации: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_476_841.pdf