Невеликий блок безперебійного живлення для систем контролю доступу

Багато користувачів комп’ютерів звикли до того, що джерело безперебійного живлення — це така доволі габаритна штуковина, яка зазвичай стоїть десь під столом і часом пищить, коли немає електрики.
Але й невеликі пристрої потребують безперебійного живлення, і для них випускають ось такі маленькі UPSи.
Звісно, можна поставити й звичайний «комп’ютерний» безперебійник, але тут є кілька нюансів:
1. Не всі вони можуть працювати з невеликою потужністю навантаження
2. ККД такого рішення зазвичай як у паровоза.
3. Акумулятор стоїть поруч із трансформатором, що нагрівається, і термін його служби може суттєво скоротитися.


До речі, звичайні UPSи іноді можуть підкласти «свиню» комп’ютерам, які мають працювати постійно, наприклад у системі відеоспостереження. Хоч це й не стосується безпосередньо теми огляду, але покажу ситуацію, коли UPS може й нашкодити.
1. Налаштовуємо комп’ютер на автоматичний запуск після подавання живлення та коректне завершення роботи після розряджання акумулятора.
2. Електрика є, усе працює
3. Вимкнули живлення, комп’ютер працює від акумулятора
4. Акумулятор розрядився, від UPSа надійшла команда вимкнути комп’ютер.
5. Почався процес автоматичного завершення роботи, і тут знову подали живлення.
6. Комп’ютер автоматично вимкнувся, але електрика є.
7. Усе, припливли.


Майже весь час «спілкування» з цим товаром мене не полишала думка: ну ж можуть, коли захочуть. Але ця думка зникла, коли я склав схему пристрою.

Але буду послідовним, спочатку огляд.
Свій товар я отримав у пакеті із застібкою, у якому були картонна коробка та пакет із радіопультами.


До комплекту входять:
1. Блок безперебійного живлення
2. Чотири радіопульти
3. Плата приймача сигналів із пультів
4. Інструкція.

Пристрій продається у трьох варіантах комплектації:
1. З одним радіопультом
2. З двома радіопультами
3. З чотирма радіопультами

Я вирішив, що коли вже замовляти, то в максимальній комплектації. Та й якщо купувати, то, на мій погляд, цей варіант вигідніший, тим паче що пульти мають властивість ламатися або губитися.


Інструкція китайською та англійською мовами; крім опису, наведено варіанти схем підключення.


Модуль приймача. Невеличка платка з антеною-пружинкою. Тут особливо й сказати нічого, хіба що він працює :)
На платі можна задати власний код; якщо код змінити, такий самий треба задати й у пультах.
Код задається за допомогою перемичок із припою. Зазвичай змінювати код не потрібно, але якщо після натискання кнопки на вашому пульті в сусіда відчиняються електричні ворота або сусід раптом приїжджає додому, то краще змінити :)))


Думаю, дизайн пультів багатьом знайомий, тільки в цьому випадку на пульті лише одна кнопка, та ще й червона — просто як у кіно.
Є висувна антена, але насправді пульт доволі непогано працює і зі схованою антеною.
Загалом звичайний пульт, нічого незвичайного.


Пульт дуже легко відкривається: три невеликі саморізи — і ми всередині. Живлення від стандартної 12-вольтової батареї, думаю, користувачі автосигналізацій її добре знають. Хоча останнім часом частіше трапляються тонкі літієві батарейки.


На платі пульта також є перемички; щоб код збігався, конфігурації перемичок на пульті й приймачі мають бути однаковими.

Хоча особисто для мене радіокерування дверима за допомогою радіопульта — річ дуже сумнівна, а точніше, це зайва діра в безпеці, тому краще використовувати його лише на некритичних об’єктах.


Пульт та інше мало кому цікаві, тому закінчую їх опис і переходжу до огляду того, що, власне, мене й зацікавило.
Скажу відразу: коли взяв у руки, склалося враження, що це доволі фірмова річ, зроблена дуже акуратно.



Окрім знайомого фото з коробком сірників, для точнішого розуміння розмірів додам картинку з магазину.


Блок складається з Г-подібного алюмінієвого шасі, яке водночас виконує функцію радіатора, і прозорої кришки, що закриває більшу частину компонентів.


Майже всю передню сторону займає довгий клемник; нижче я наведу схему, що і для чого потрібно.
Ліворуч розташований підлаштувальний резистор, за допомогою якого регулюється час затримки перемикання реле.


1. З лівого боку розташований роз’єм для під’єднання живлення. У комплекті дали відрізок дроту з відповідною частиною роз’єму. Під час тестів я використовував з’єднувачі Ваго, але, як на мене, у цьому випадку краще підійшов би гвинтовий клемник.
2. З правого боку — роз’єм для під’єднання радіомодуля.
3, 4. Особливих проблем із встановленням модуля немає, якщо не зважати на те, що повністю вставити його в роз’єм не вдасться: підлаштувальний конденсатор і котушка впруться в корпус реле. На функціональності це ніяк не позначиться, але під час проєктування явно заклали замалий запас.


А тепер перейду до опису під’єднання, а заразом розповім про функціональність цього пристрою.
За своєю суттю вся ця конструкція — це блок живлення + модуль заряджання акумулятора + схема керування електрозамком.
Оскільки я описую під’єднання, зупинюся на блоці керування.
По суті, це просто таймер утримання команди. Тобто маємо:
1. Вхід від радіопульта
2. Вхід для зовнішніх команд (Push1 Push2), на які подається або 12 В, або нуль — залежно від входу (активний 0 або 1).
3. Вхід із гальванічною розв’язкою, сюди можна подати сигнал напругою 3-12 В, наприклад від ардуїно або просто батарейки.

На виході встановлено реле з перемикальною групою контактів. За допомогою певних комутацій можна або подавати 12 В на навантаження, або, навпаки, знеструмлювати його.

Також ліворуч видно підлаштувальний резистор, за допомогою якого задається час утримання. Тобто команду можна подати короткочасно, а реле утримуватиме її протягом заданого часу. Діапазон регулювання — приблизно 0,5-15 секунд.
Але слід враховувати, що схема працює не як одновібратор: наприклад, якщо встановлено 10 секунд, а контакти замкнули на секунду, реле ввімкнеться на 10 секунд; якщо встановлено 5 секунд, а утримуємо команду 10 секунд, то й реле працюватиме 10 секунд.

Для електромеханічного замка або засувки встановлюють мінімальний час і подавання живлення на навантаження під час спрацьовування.
Для електромагнітного замка все навпаки: час 10-15 секунд, а реле має вимикати живлення.

Увага, схема не розрахована на комутацію високої напруги; передбачається, що все живлення береться від цього ж БЖ. Загальний контакт реле з’єднаний із загальним проводом (мінусом схеми), а крім того, паралельно контактам реле встановлені захисні діоди.

Також плата має вихід 12 В для живлення контролера й окремі клеми для під’єднання акумулятора.

Схему показано дуже умовно, мабуть, її намалювали вже в магазині. Для кожного варіанта під’єднання її краще малювати окремо. Якщо ця інформація потрібна, можу запропонувати кілька варіантів.


Дроти для під’єднання живлення й акумулятора є в комплекті, сам акумулятор до комплекту не входить.


Корпус закритий захисною плівкою, рекомендую її зняти — охолодження буде кращим. Я одразу цього не зробив і провів із нею половину тестів.


Захисна кришка кріпиться на парі гвинтів М3. У реальному використанні знімати її не потрібно, оскільки до всіх роз’ємів є доступ, а єдиний запобіжник упаяний.


Але перед оглядом плати я вирішив трохи відволіктися на попередні вимірювання — і, як показала практика, недарма.
Якщо на виході 12 В усе гаразд, то на виході для під’єднання акумулятора тестер показав понад 16 В.


Далі я провів кілька тестів з акумулятором і з’ясував деякі особливості.
1. Струм споживання плати без навантаження становить близько 50мА.
2, 3. Струм заряджання — близько 100мА за напруги на акумуляторі 12.5 В.
4. Оскільки я з’ясував, що зарядний пристрій не знає, що таке обмеження напруги, і видає на виході до 16.5 В без навантаження, я провів експеримент.
Підібрав пару резисторів, під’єднавши які, отримав напругу, близьку до напруги завершення заряджання (насправді треба було 13.8 В), і розрахував струм, який проходитиме через акумулятор за цієї напруги.
У мене вийшло: опір навантаження 208 Ом (300+680 Ом паралельно). За напруги 14.05 В струм становитиме 67мА (14.05/208=0,067).

З одного боку, струм заряджання дуже малий, щоб пошкодити акумулятор, а з іншого — недостатньо великий, щоб зарядити його за прийнятний час.
Тобто з відсутністю автоматичного вимкнення заряджання ще можна змиритися, але заряджати акумулятор ємністю 7Ач понад три доби — це вже занадто довго. До того ж, якщо встановити невеликий акумулятор, наприклад 1Ач, почне даватися взнаки відсутність вимкнення заряджання.


Мікросхема високовольтного ШІМ-контролера й вихідна діодна збірка прикручені до радіатора. Радіатор, своєю чергою, з’єднаний із заземлювальним проводом вхідного роз’єму, тому за правилами безпеки заземлення обов’язкове.


Відкручуємо плату від радіатора й виймаємо її. Знизу прокладено товсту захисну плівку — плюс виробникові.


Вхідний фільтр присутній практично в повному обсязі.


Усе зроблено майже як за підручником:
1. На вході конденсатори класів X і Y, причому не лише ті, що підключені до проводу
заземлення, а й міжобмоткові.
2. Ба більше, є варистор, що трапляється вкрай рідко.
3. Є й термістор для обмеження струму заряджання конденсатора фільтра. Намагався роздивитися діоди моста, але таке враження, що їхні виводи спеціально зігнуті так, щоб маркування не було видно.
4. А сам конденсатор, хоч і має ємність лише 33мкФ замість потрібних 56-68, цілком собі фірмовий.


Причому те, що на вході встановили нормальний конденсатор, — не випадковість. На фото зі сторінки магазину стоїть конденсатор іншої фірми (Samwha), але зі співставним рівнем якості.
Те саме стосується й вихідних конденсаторів.


Не менше, ніж фільтр, мене здивувало те, що використано потужний ШІМ-контролер KA5L0380R, до того ж цілком фірмовий, виробництва Fairchild. Якщо я нічого не плутаю, саме цей контролер використовують у супутникових тюнерах Samsung, утім префікс KA у назві — це відсилання до фірми Samsung.
Цей контролер призначений для побудови блоків живлення потужністю до 75 Ватт і має багато захистів: від перегрівання, перевантаження, підвищеної та зниженої напруги.

А от на вихідній діодній збірці зекономили: використано YG902C2, розраховану на струм 10 Ампер (не впевнений, 1х10 чи 2х10), але гірше інше — вона не Шотткі.


Блок живлення має максимальну вихідну потужність 60 Ватт, трансформатор використано з досить великим запасом (E30/15/11): за моїми розрахунками, у цій схемі його потужність становить 80-100 Ватт.
Із мінусів зазначу, що мікросхему й діодну збірку прикрутили без теплопровідної пасти!


Коротко про решту складових частин:
1. Ланцюг зворотного зв’язку зроблено за всіма правилами: оптрон, TL431, ланцюг корекції та регулювання вихідної напруги (регулювання дуже плавне). БЖ працює безшумно в усьому діапазоні потужностей.
2. На виході встановлено не лише фірмові конденсатори, а й дросель солідних розмірів.
3. Реле комутації акумулятора, діоди розв’язки живлення та зарядного пристрою.
4. Вузол таймера й оптрон гальванічної розв’язки керування.
5. Реле керування навантаженням і підлаштувальний резистор таймера.
6. Монтаж дуже щільний: мало того, що сама плата двошарова, то деталі розташовані навіть під трансформатором. Щоправда, для електролітичного конденсатора це не дуже добре.


Про всяк випадок — пара загальних фото плати з двох ракурсів.




Хоча плата двошарова, компоненти розташовані лише з одного боку, і, що цікаво, усі компоненти звичайні, а не SMD. Навіть якось незвично, нагадує деякі брендові пристрої.


Ще один плюс — на друкованій платі є всі необхідні захисні прорізи. Причому не лише між «гарячою» та «холодною» сторонами плати, а й між контактами вхідного роз’єму. Великий плюс виробникові.


Як ви, мабуть, уже здогадалися, я вирішив накреслити схему цього пристрою. Особливо мене цікавила реалізація ланцюга заряджання та контролю акумулятора. Робота сама по собі не дуже проста, але цікавість узяла гору :)
Певною мірою зручності додавало те, що деякі номінали підписані на самій платі, але, на жаль, далеко не всі елементи мають позиційне позначення.


Для зручності я розділив схему на умовні блоки, де показано:
Червоним — високовольтну частину БЖ
Синім — низьковольтну частину БЖ
Зеленим — зарядний пристрій і реле акумулятора
Помаранчевим — схему таймера затримки реле.


Мене цікавила схема заряджання та комутації акумулятора, тому я виділив її окремо, попутно прибравши елементи, які не стосуються її роботи.
Червоним — зарядну частину
Синім — керування реле.
Чорним — основний блок живлення.
Очевидно, що її проєктував студент, адже заряджання відбувається просто через резистор. Тобто маємо ланцюг: додаткова обмотка трансформатора, випрямляч, резистор.
Не менше мене здивувало те, що акумулятор комутується за допомогою реле. Я якось показував, як самостійно зробити невеликий безперебійник. Там не було комутації, зате був захист від надмірного розряджання, стабілізація струму заряджання, а також захист від неправильного під’єднання акумулятора. Але був і мінус: у робочому режимі на виході було не 12 В, а 14.

Тут же все навпаки: єдиний плюс цього рішення (крім простоти) у тому, що під час живлення від мережі на виході буде 12 В, а 12–13,5 В — лише під час перемикання на акумулятор.

До речі, щодо перемикання: як на мене, для пристрою краще, щоб живлення або взагалі не вимикали, або вимикали на довший час, ніж триває перемикання контактів реле. Деякі відеокамери чи контролери можуть «зависнути».

Схема однозначно потребує доопрацювання, але не цього разу. Невеликий анонс: у мене для огляду лежить ще один подібний блок живлення. Для його огляду планую придумати (хоча, найімовірніше, вже придумав) невелику плату для доопрацювання й усунення більшої частини недоліків. Якщо вважаєте, що це має сенс, будуть схема й креслення.


Поки писав, оглядав монтаж і креслив схему, мене не полишало стійке відчуття, що я вже десь це бачив. Таке враження, що блок проєктували кілька людей, бо одна частина реалізована просто чудово, а інша — геть погано.
Ніби нормальна, хороша машина, а одне колесо з трьох — від велосипеда.

Або ще одна аналогія :)


Оглянув, накреслив схему, трохи похвалив, а також посварив — час і тести провести.
Було зібрано класичний випробувальний стенд, що складався з:
1. Електронне навантаження
2. Мультиметр
3. Осцилограф
4. Тепловізор
5. Термометр
6. Ручка й папірець.


Далі блок живлення перевірили під навантаженням, поступово збільшуючи його від холостого ходу до максимальної потужності.
1. Холостий хід.
2. 15 Вт (1,25 А)


1. 30 Вт (2,5 А)
2. 45 Вт (3,75 А)


Пульсації почали хоч якось проявлятися на осцилографі лише за максимальної потужності, що можна вважати чудовим результатом.
Про всяк випадок я провів додатковий тест із навантаженням 110% від заявленого. Нагрівання було значним, але БЖ працював абсолютно стабільно.


Але на цьому тесті я не зупинився й виміряв ще й ККД. Щоправда, на ККД вплинув той факт, що під час подавання живлення вмикається ще й одне з реле, але не думаю, що на великій потужності це має значення.
Цього разу я перевіряв за допомогою іншого електронного навантаження, увімкнувши режим постійної потужності — так зручніше вимірювати ККД.


1. Режим холостого ходу + увімкнене реле.
2. Заряджання акумулятора.
3. Вихідна потужність 15 Вт (25%)
4. 30 Вт (50%)
5. 45 Вт (75%)
6. 60 Вт (100%)

ККД становив:
25% навантаження — 74,25%
50% навантаження — 78,53%
75% навантаження — 78,67%
100% навантаження — 78,84%


Усі виміряні дані звів у таблицю.
Кілька пояснень до таблиці. Навантаження збільшували поетапно з інтервалами у 20 хвилин, останній тест тривав 15 хвилин, загальна тривалість тесту становила 95 хвилин.
Температуру діодного моста (перший стовпець) наведено приблизно, оскільки я не міг піднести пірометр, і він заодно захоплював потужний резистор, температура якого була вищою. Як температуру трансформатора наведено температуру його магнітопроводу — це найкритичніше місце.


Дізнавшись під час тестів ККД пристрою й зробивши термограму, можу сказати, куди дівається зайва енергія.
На термограмі видно, що найвища температура — на обмотках трансформатора. Підозрюю, що, хоч осердя й вибрали із запасом, на перерізі дроту трохи зекономили.
На жаль, доопрацювати це дуже складно. А ось за бажання виграти кілька відсотків, замінивши вихідну діодну збірку на діоди Шотткі, цілком реально.
Але водночас я б не сказав, що блок живлення мав критично високі температури. Мабуть, звернути увагу варто лише на вихідні конденсатори, адже до перегрівання інших компонентів ще далеко, особливо з огляду на те, що тест проводився на максимальній потужності.
Цей блок живлення можна безпечно експлуатувати за струму до 4 А.


Ну що ж, тепер підбиватиму підсумки.
Переваги
Якісні компоненти
Реальна вихідна потужність
Велика кількість входів керування
Наявність радіокерування
Продумана схемотехніка (здебільшого)
Усі пульти укомплектовані батарейками
Дуже низький рівень пульсацій

Недоліки
Некоректна схема заряджання
Відсутність захисту від надмірного розряджання акумулятора
Наявність перемикання між мережею та акумулятором.
Занижена ємність вхідного конденсатора

Моя думка. Чесно кажучи, якщо розглядати цей пристрій як блок живлення та комутатор замка, то все просто чудово, особливо й причепитися нема до чого. Якісні компоненти, нормальна схемотехніка, акуратна конструкція.
Але водночас він повністю не відповідає власне «фішці» цього пристрою — безперебійному живленню. Зарядний пристрій треба доопрацювати, а точніше — переробити, крім того, потрібно додати захист від надмірного розряджання.

Загалом видно, що старалися, але частину роботи з проєктування доручили не тому, хто знає, що робить.
Тепер у планах підготувати огляд другого подібного пристрою. Там я все-таки планую придумати, як усе це зробити правильно.

На цьому поки що закінчу, сподіваюся, було цікаво й корисно.