Доработка источника бесперебойного питания APC Back-UPS 600I своими руками

Источник бесперебойного питания APC Back UPS 600I имеет топологию StandBy (Off-Line) – рис. 1.

Рис. 1. Топология StandBy

UPS, построенный по данной схеме, нередко называют термином "Off-Line UPS". В каждый конкpетный момент
вpемени он может находиться в одном из 2 pежимов pаботы - Stand-by или On-line. В случае, когда напpяжение
в сети находится в допустимых пpеделах (Standby mode), transfer switch пеpеключен на пpотекание тока
нагpузки по цепи "Surge suppressor - Filter". В этом pежиме UPS ничем не отличается от обыкновенного сетевого
фильтpа. Hикакой стабилизации напpяжения не пpоисходит. Во вpемя pаботы в этом pежиме также пpоисходит
заpядка аккумулятоpных батаpей UPS.
В случае выхода напpяжения сети за допустимые пpеделы, transfer switch пеpеключается на питание нагpузки
по цепи "Battery - DC/AC inverter" (On-line mode), т.е. от энеpгии аккумулятоpной батаpеи, пpеобpазуемой
инвеpтоpом в AC 220V. Так как пеpеключение контактов и запуск инвеpтоpа не могут пpоисходить мгновенно,
питание нагpузки будет пpеpвано на некотоpое вpемя (Transfer Time). Большинство Standby UPS обеспечивают
Transfer Time поpядка 4-8 ms. Особенность данной системы в том, что пеpеключение в On-Line пpи выходе
напpяжения сети за допустимые пpеделы пpоисходит немедленно, а возвpат в Standby mode - с обязательной
задеpжкой в несколько секунд. Иначе, пpи многокpатных бpосках напpяжения в сети, происходило бы
непpеpывное пеpеключение Standby/On-Line и обpатно, что пpивело бы к значительным искажениям тока
нагpузки и возможному выходу ее из стpоя или к сбою в ее pаботе.
Пpи этом следует учесть, что данная схема обычно не обладает возможностью стабилизации напpяжения пpи
pаботе в Standby mode и, следовательно, пеpеходит в On-Line пpи каждом отклонении напpяжения сети. Разpяд
аккумулятоpной батаpеи пpоисходит намного быстpее, чем обpатный заpяд. Мощность battery charger'а для
данной схемы обычно выбиpается сpавнительно малой, и pасхода энеpгии от батаpей во вpемя brownout'ов не
компенсиpует. Следовательно, для применения в случае низкого качества питающей сети данная топология UPS
малопpигодна по двум пpичинам:
· а) Пpи частых пеpеходах в On-Line батаpея достаточно быстpо pазpяжается, не успевая восстановить
заpяд за вpемя Standby mode, в pезультате чего UPS теpяет способность обеспечить аваpийное питание
нагpузки в течение тpебуемого вpемени;
· б) Частое повтоpение циклов pазpяд/заpяд сокpащает сpок службы аккумулятоpных батаpей.
Описание топологии взято из [1] (см. список используемых источников в конце статьи).

Коммуникационный порт
UPS имеет коммуникационный порт (рис. 2) для связи с COM-портом компьютера.

Рис. 2. Коммуникационный порт APC Back UPS

Назначение ножек порта:
· 1. Shutdown UPS. При батарейном питании напряжение высокого уровня RS-232 вызывает отключение
инвертора и обесточивание нагрузки. UPS реагрует на этот сигнал только при питании нагрузки от
батареи. На сайте APC указано, что сигнал должен действовать в течении 1 секунды, однако
экспериментальная проверка показала, что UPS реагирует на сигнал немедленно.
· 2. Line Fail. В уровнях RS-232. Высокий уровень означает переход на батарейное питание.
· 3. Line Fail. Открытый коллектор. Нормально открыт.
· 4. GND
· 5. Battery Low. Открытый коллектор. Нормально открыт.
· 6. Line Fail. Открытый коллектор. Нормально закрыт.
· 7. Не используется.
· 8. Не используется
· 9. GND
Высокий уровень RS-232 – около +12в относительно земли порта, низкий – около –12в.
Примечание: при разработке каких-либо промежуточных схем можно использовать и ТТЛ уровни. UPS и COM-
порт на них реагируют нормально.
Информация о разводке порте и назначении его контактов официальная, взята из [2] (см. список используемых
источников в конце статьи).
Коммуникационный кабель
Через этот порт UPS можно подключить к COM-порту компьютера с помощью кабеля с кодом 940-0020B. Схема
электрическая принципиальная кабеля приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема кабеля 940-0020B

Когда пропадает внешнее питание (отключили свет, например) на линии Line Fail является высокий уровень.
Программа мониторинга UPS (например, PowerChute) обнаруживает это и, выполнив указанные ей действия,
начинает выключение компьютера, после чего активизируется линия Shutdown, инвертор UPS отключается и
компьютер обесточивается. Однако, здесь есть две особенности.
· 1. Как отмечено в [1], Windows при завершении работы компьютера блокирует COM-порт и программа не
может управлять 4 ногой порта. Smart UPS решает эту проблему введением специальной задержки
(порядка 6 сек) между появлением сигнала Shutdown и обесточиванием нагрузки. В Back UPS такая
задержка не предусмотрена и поэтому под Windows 2000 PowerChute Plus 5.2.1 не обесточивает
нагрузку, хотя системная служба UPS в той же Win 2000 это делает. Исключение составляет Windows
2003 Server, в которой и системная служба и PowerChute обесточивают нагрузку. PowerChute Business
Edition ведет себя также.
· 2. У данной модели UPS выключатель такой конструкции, что его можно выключить только вручную,
поэтому UPS полностью не выключается, а продолжает пищать, даже когда инвертор (нагрузка)
выключились.
Первую проблему без использования довольно сложных схем решить невозможно, а предлагаемое в данной
статье простое устройство решает вторую проблему – при обесточивании нагрузки UPS выключается
автоматически.
Описание устройства
Основная идея предлагаемого устройства – выключение UPS при обесточивании нагрузки путем введения
обратной связи в цепь выключателя UPS. Схема электрическая принципиальная устройства изображена на рис.
4.

Рис. 4. Устройство автоматического отключения UPS и его компоненты

Устройство подключается к UPS в двух местах – к выходным клеммам UPS (параллельно нагрузке) и вместо
родного выключателя UPS. Родной выключатель при этом удаляется.
Функционирует устройство следующим образом:
Пусть входное напряжение 220 В в норме. Включаем UPS нажатием кнопки "ON”. На выходных клеммах UPS
появляется напряжение 220В. Реле K1 включается и своими контактами шунтирует кнопку "ON”, которую теперь
можно отпустить. Для того, чтобы вручную выключить UPS необходимо нажать кнопку "OFF”. Цепь выключателя
разрывается, UPS выключается, на выходе исчезает 220В, реле отключается, его контакты размыкаются.
Кнопку "OFF” можно отпустить.
При исчезновении питания компьютер активизирует линию Shutdown порта, на выходе пропадает напряжение,
реле отключается, его контакты размыкаются и выключают UPS.
Светодиод VD1 – зеленого цвета, индицирует включенное состояние UPS, VD2 – красный, загорается при
исчезновении входного напряжения 220 В.
Выключатели SW1 и SW2 – с фиксацией, их можно использовать для «аварийного» включения UPS, если,
например, сгорел трансформатор или реле (хотя это маловероятно – у меня UPS работает часов по 15 в сутки
каждый день, устройство функционирует в течении 2 с небольшим лет и ничего пока не сгорело). Для этого
необходимо выключить SW1. Питание на трансформатор и реле не подается, кнопки "ON”/”OFF” перестают
функционировать, а SW2 превращается в выключатель UPS (без всякой автоматики, как родной выключатель,
только без индикации).
Резистор R1 необходим для сокращения времени разряда электролитического конденсатора блока питания и,
следовательно, ускорения отключения реле. Использование контактов 3 и 4 порта UPS не влияют на
работоспособность кабеля 940-0020B, т.к. контакт 3 не используется схемой кабеля.
Рекомендации по изготовлению
Вся схема, кроме SW1 размещается в передней части корпуса UPS. Родной выключатель UPS необходимо
удалить, после чего необходимо пробником (омметром) проверить, какие из четырех контактов являются
контактами выключателя. У меня это – два ближних контакта (разъем расположен вдоль платы), если смотреть
спереди. Другие 2 (дальние) – лампа в выключателе, индицирующая включенное состояние UPS и сбой
электропитания.
Наш выключатель подключается к контактам выключателя на плате. Контакты лампы оставить
неподключенными, т.к. в нашей схеме она не используется, ее заменяют светодиоды.
Питание 220 В следует взять с выходных клемм UPS.
Кнопки SB1, SB2, выключатель SW2 и оба светодиода можно разместить на месте родного выключателя. SW1
размещается на задней панели UPS рядом с выходными клеммами.
Провода, идущие к коммуникационному порту UPS припаиваются к соответствующим ножкам порта на плате.

Подбор деталей
Сразу скажу, что расчетом мощности трансформатора, его магнитопровода, обмоток и их намоткой я не
занимался. Я взял готовый трансформатор подходящих габаритов, т.к. между батареей UPS и его передней
стенкой довольно мало места (5-6 см). Выключатель SW1 я смонтировал на задней стенке UPS, все остальные
элементы – спереди, между батареей и передней стенкой корпуса UPS.
Внимание! Перед сборкой не забудьте отключить UPS от сети, отключить батарею и разрядить электролиты на
плате включением UPS без входного сетевого напряжения и батареи. При этом UPS издаст кратковременный
звуковой сигнал.
Найти реле на 5 вольт может оказаться довольно трудной задачей – мне с трудом удалось найти только PЭC59.
В таком случае можно взять, например, РЭС22, трансформатор на 12-15 вольт, увеличить токоограничивающие
резисторы R2 и R3 до 2-3 кОм и использовать электролитический конденсатор C1 на напряжение не менее 16 в.
R1 при этом можно не ставить, т.к. РЭС22 штука довольно мощная и электролит блока питания разряжается
достаточно быстро.
В цепи выключателя действует напряжение 12 вольт при токе макс. 65 mA. Токи и напряжения переходных
процессов не измерялись.
Хотелось бы обратить внимание на следующую особенность некоторых реле (например, того же РЭС59). У них
есть электрическая связь между корпусом и контактной группой, поэтому при использовании такого реле
необходимо позаботиться об изолировании его корпуса от металлического корпуса UPS. Если этого не сделать,
то при первом же включении сгорит предохранитель на 1А, расположенный на плате UPS в цепи выключателя.
По внешнему виду этот предохранитель похож на небольшой резистор или диод. Мне пришлось впаивать туда
обычный стеклянный предохранитель отечественного (советского) производства взамен сгоревшего родного.
Реле РЭС22 лишено этого недостатка.

Известные недостатки схемы
То, чего позволяет достичь устройство, сказано выше. Плюсом схемы также является ее предельная простота и
дешевизна, т.к. она собирается из широко распространенных, доступных и дешевых деталей и для ее сборки не
требуется хороших знаний, навыков и богатого опыта сборки/наладки электронных схем.
Очевидным минусом схемы является то, что она подключается к выходу UPS как нагрузка (компьютер) и
поэтому полезная выходная мощность UPS немного снижается. Наколько именно, я сказать не могу, т.к. не
измерял мощность моей схемы. Но величина этой потери довольно мала (у меня на UPS’е висят 2 компьютера с
мониторами и заметного уменьшения времени работы от батареи я не заметил). Тем, для кого это критично,
можно посоветовать точный расчет потребляемых токов реле, светодиодов, мощности трансформатора, его
обмоток и его самостоятельное изготовление с тем чтобы снизить потери мощности.
Еще один минус схемы заключается в том, что она занимает 3-ю ногу порта UPS. Но т.к. стандартный кабель
940-0020B ее не использует, этим можно пренебречь. Если 3-я нога порта для чего-то необходима, то можно
либо вообще отказаться от светодиода VD2, либо использовать 6 ногу порта. Правда во втором случае придется
подключать VD2 через электронный ключ (инвертор) на транзисторе, т.к. логика работы 6-й ноги обратна
логике 3-ей (когда питание 220В в норме земля, сбой - обрыв).
Недостатком также является то, что светодиод VD1 на приведенной схеме на самом деле показывает не
состояние UPS (включен/выключен), а наличие какого-то напряжения на реле. Это приводит к тому, что
светодиод может еще светиться, хотя реле уже отключилось и наоборот (в зависимости от используемого реле,
светодиода и резистора R2). Исправить этот недостаток можно введением второй контактной группы реле в
цепь светодиода. Здесь реле РЭС59 уже не годится, т.к. у него только одна контактная группа. Можно
использовать РЭС22, у которого 4 группы. Строго говоря, при этом решении тоже возможны временные
отклонения, т.к. контактные пары у электромеханических реле редко срабатывают строго одновременно, но это
уже отличия иного, гораздо меньшего порядка и заметить их «на глаз» практически невозможно.
Правильно собранное устройство при исправных деталях не нуждается в какой-либо настройке и начинает
работать сразу после включения. К сожалению, предоставить фотографии готового устройства не могу за
неимением у меня возможности перегнать их в компьютер.
Это устройствоя собрал 2 с небольшим года назад. Оно работает нормально и по сей день.
По идее, таким же образом можно доработать любой Back UPS, но я дорабатывал свой Back UPS 600I.