Небольшой блок бесперебойного питания для систем контроля доступа

Я уже делал довольно много обзоров различных блоков питания, и эта тема наверное моя самая любимая. Но так получилось, что я практически обошел вниманием такую категорию устройств как блоки бесперебойного питания, хотя у меня и есть один обзор на эту тему.
Устройство с первого знакомства приятно удивило, но реальность оказалась заметно сложнее.
Впрочем все как всегда под катом.


Многие пользователи компьютеров привыкли к тому, что блок бесперебойного питания это такая довольно габаритная штуковина, которая обычно стоит где-то под столом и иногда пищит, когда нет электричества.
Но мелкие устройства также требуют бесперебойного питания, и для них производятся такие вот мелкие UPSы.
Конечно можно поставить и обычный «компьютерный» бесперебойник, но здесь есть несколько тонких моментов:
1. Не все они могут работать с небольшой мощностью нагрузки
2. КПД такого решения обычно как у паровоза.
3. Аккумулятор стоит рядом с греющимся трансформатором и его срок службы может существенно снизиться.

Кстати, обычные UPSы иногда могут подложить «свинью» для компьютеров, которые должны работать всегда, например в системе видеонаблюдения. Хотя это и не относится непосредственно к теме обзора, но продемонстрирую ситуацию, когда UPS может и навредить.
1. Настраиваем компьютер на автостарт при подаче питания и корректное завершение работы по разряду аккумулятора.
2. Есть электричество, все работает
3. Выключили питание, компьютер работает от аккумулятора
4. Аккумулятор разрядился, от UPSа пошла команда на выключение компьютера.
5. Пошел процесс автоматического завершения работы и тут опять подали питание.
6. Компьютер выключился автоматически, но электричество есть.
7. Все, приплыли.

В течении почти всего процесса «общения» с данным товаром меня не покидала мысль — ну ведь могут когда захотят. Но мысль ушла когда я составил схему устройства.

Но буду последователен, сначала осмотр.
Получил свой товар я в пакете за защелкой, в которой была картонная коробка и пакет с радиопультами.


В комплект входит:
1. Блок бесперебойного питания
2. Четыре радиопульта
3. Плата приемника сигналов с пультов
4. Инструкция.

Устройство продается в трех вариантах комплектации:
1. С одним радиопультом
2. С двумя радиопультами
3. С четырьмя радиопультами

Я решил что раз уж заказывать, то в максимальной комплектации, да и если покупать, то на мой взгляд этот вариант получается выгоднее, тем более что пульты имеют свойство ломаться или теряться.


Инструкция на китайском и английском языке, кроме описания указаны варианты схем подключения.


Модуль приемника. Небольшая платка с антенной -пружинкой. Здесь особо и сказать нечего, кроме того что он работает :)
На плате можно задать свой код, если код изменен, то такой же надо задать и в пультах.
Код задается при помощи перемычек из припоя. Изменять код обычно не нужно, но если при нажатии на кнопку вашего пульта у соседа открываются электроворота или сосед внезапно приезжает домой, то лучше изменить :)))


Дизайн пультов думаю знаком многим, только в данном случае на пульте только одна кнопка, причем красная, прям как в фильмах.
Имеется выдвижная антенна, но на самом деле довольно неплохо работает и когда она спрятана.
В общем обычный пульт, ничего необычного.


Открывается пульт очень легко, три небольших самореза и мы внутри. Питание от стандартной 12 Вольт батареи, думаю пользователи автосигнализаций ее довольно хорошо знают. Хотя в последнее время чаще попадаются тонкие литиевые батарейки.


На плате пульта также присутствуют перемычки, для того чтобы код совпадал, требуется и совпадение конфигурации перемычек пульта и приемника.

Хотя лично как для меня, то радиоуправление дверьми с радиопульта вещь весьма неправильная, а если точнее, то это лишняя дыра в безопасности, потому использовать лучше только на некритичных объектах.


Пульт и прочее особо никому неинтересно, потому я закругляюсь с их описанием и перейду к обзору того, что собственно меня и заинтересовало.
Скажу сразу, когда взял в руки, то было ощущение довольно фирменной вещи, выполнено очень аккуратно.



Кроме знакомого фото с коробком, для более точного понимания размеров приложу картинку из магазина.


Блок представляет из себя Г-образное алюминиевое шасси, выполняющее одновременно функцию радиатора и прозрачную крышку, закрывающую большую часть компонентов.


Практически всю переднюю сторону занимает длинный клеммник, ниже я дам схему что и зачем нужно.
Слева расположен подстроечный резистор, при помощи него регулируется время задержки переключения реле.


1. С левой стороны находится разъем для подключения питания. В комплекте дали кусок провода с ответной частью разъема. В тестах я использовал соединители Ваго, но как по мне, то в данном случае лучше был бы винтовой клеммник.
2. С правой стороны разъем для подключения радиомодуля.
3, 4. Особых проблем с установкой модуля нет, если не считать того, что полностью усадить модуль в разъем не получится, подстроечный конденсатор и катушка упрутся в корпус реле. На функциональности это никак не отразится, но запас при проектировании явно заложили меньше чем требуется.


А вот теперь я перейду к описанию подключения, а заодно расскажу о функционале данного устройства.
По своей сути вся эта конструкция является блоком питания + модулем заряда аккумулятора + схемой управления электрозамком.
Так как я описываю подключение, то остановлюсь на блоке управления.
По сути это просто таймер удержания команды. Т.е. мы имеем:
1. Вход от радиопульта
2. Вход от внешних команд (Push1 Push2), на которые подается либо 12 Вольт, либо ноль в зависимости от входа (активный 0 или 1).
3. Вход с гальванической развязкой, сюда можно подать сигнал напряжением 3-12 Вольт, например от ардуины или просто батарейки.

На выходе стоит реле с переключающей группой, при помощи определенных коммутаций можно либо подавать 12 Вольт в нагрузку, либо наоборот, обесточивать.

Также слева виден подстроечный резистор, при помощи которого задается время удержания. Т.е. команду можно подать коротко, реле будет держать определенное время. Диапазон регулировки примерно 0,5-15 секунд.
Но стоит учитывать, что работает схема не как одновибратор, например если настроено 10 секунд, а замкнули на секунду, то реле включится на 10 секунд, если настроено на 5 секунд, а удерживаем 10 секунд, то и реле будет работать 10 секунд.

Для электромеханического замка или защелки настраивают минимальное время и подачу питания в нагрузку при срабатывании.
Для электромагнитного замка все наоборот, время 10-15 секунд, и реле должно отключать питание.

Внимание, схема не рассчитана на коммутацию высокого напряжения и подразумевается что все питания берется от этого же БП. Общий контакт реле соединен с общим проводом (минусом схемы), а кроме того параллельно контактам реле стоят защитные диоды.

Попутно плата имеет выход 12 Вольт для питания контроллера и отдельные клеммы для подключения аккумулятора.

Схема показана очень утрированно, рисовали ее видимо уже в магазине и для каждого варианта подключения ее лучше рисовать отдельно, если эта информация нужна, то могу дать пару вариантов.


Провода для подключения питания и аккумулятора идут в комплекте, сам аккумулятор в комплекте не идет.


Корпус закрыт защитной пленкой, рекомендую ее снять, охлаждение будет лучше. Я сразу этого не сделал и половину тестов провел с ней.


Защитная крышка крепится на паре винтов М3, в жизни ее снимать не надо, так как ко всем разъемам есть доступ, а единственный предохранитель впаян.


Но перед осмотром платы я решил немного отвлечься на предварительные измерения, и как показала практика, не зря.
Если по выходу 12 Вольт все красиво, то на выходе для подключения аккумулятора тестер показал более 16 Вольт.


Дальше я провел несколько тестов с аккумулятором и выяснил некоторые особенности.
1. Ток потребления платы без нагрузки составляет около 50мА.
2, 3. Ток заряда около 100мА при напряжении на аккумуляторе 12.5 Вольта.
4. Так как я выяснил, что зарядное устройство не знает что такое ограничение напряжения и выдает на выходе до 16.5 Вольта без нагрузки, то я провел эксперимент.
Подобрал пару резисторов при подключении которых напряжение близкое к напряжению окончания заряда (на самом деле надо было 13.8 Вольта) и посчитал ток который будет идти через аккумулятор при этом напряжении.
У меня вышло, сопротивление нагрузки 208 Ом (300+680 Ом параллельно). При напряжении 14.05 Вольта ток составит — 67мА (14.05/208=0,067).

С одной стороны ток заряда очень мал, чтобы испортить аккумулятор, а с другой он не очень высок чтоы его зарядить за вменяемое время.
Т.е. если с отсутствием автотключения заряда еще можно смириться, то заряжать аккумулятор емкость 7Ач более трех суток как-то долго. Причем если поставить мелкий аккумулятор, например 1Ач, то тогда начнет сказываться отсутствие отключения заряда.


Микросхема высоковольтного ШИМ контроллера и выходная диодная сборка прикручены к радиатору. Радиатор, в свою очередь, соединен с заземляющим проводом входного разъема, потому по правилам безопасности заземлять обязательно.


Откручиваем плату от радиатора и вынимаем. Снизу проложена толстая защитная пленка, плюс производителю.


Входной фильтр присутствует практически в полном объеме.


Все сделано почти как по учебнику,
1. На входе конденсаторы класса X и Y, причем не только те, которые подключены к проводу
заземления, а и межобмоточные.
2. Мало того, присутствует варистор, что вообще встречается крайне редко.
3. Есть и термистор для ограничения тока заряда конденсатора фильтра. Диоды моста пытался рассмотреть, но такое чувство что их выводы специально изогнуты так, чтобы не видно было маркировки.
4. А сам конденсатор хоть и имеет емкость всего 33мкФ при требуемой 56-68, но очень даже фирменный.


Причем то, что входной конденсатор поставили нормальный, явление не случайное. На фото со страницы магазина стоит конденсатор другой фирмы (Samwha), но сопоставимого уровня качества.
То же самое касается и выходных конденсаторов.


Не меньше чем фильтр, меня удивило то, что применен мощный ШИМ контроллер KA5L0380R, причем также вполне фирменный, производства Fairchild. Если я ничего не путаю, то именно этот контроллер применен в спутниковых тюнерах Самсунг, впрочем префикс KA в названии это отсылка к фирме Самсунг.
Данный контроллер предназначен для построения блоков питания мощностью до 75 Ватт и имеет большое количество защит, от перегрева, перегрузки, повышенного и пониженного напряжения.

А вот на выходной диодной сборке сэкономили, применена YG902C2, она рассчитана на ток 10 Ампер (не уверен, 1х10 или 2х10), но хуже другое, она не Шоттки.


Блок питания имеет максимальную выходную мощность 60 Ватт, трансформатор применен с довольно большим запасом (E30/15/11), согласно моим расчетам, в этой схеме он имеет мощность 80-100 Ватт.
Из минусов отмечу то, что микросхема и диодная сборка были прикручены без теплопроводящей пасты!


Коротко про остальные составляющие части:
1. Цепь обратной связи по всем правилам, оптрон, TL431, цепь коррекции и регулировки выходного напряжения (регулировка весьма плавная). БП работает бесшумно во всем диапазоне мощностей.
2. На выходе стоят не только фирменные конденсаторы, а и солидных размеров дроссель.
3. Реле коммутации аккумулятора, диоды развязки питания и зарядного устройства.
4. Узел таймера и оптрон гальванической развязки управления.
5. Реле управления нагрузкой и подстроечный резистор таймера.
6. Монтаж очень плотный, мало того что сама плата двухслойная, так детали находятся даже под трансформатором. Правда для электролитического конденсатора это не очень хорошо.


На всякий случай пара общих фото платы с двух ракурсов.




Хотя плата двухслойная, компоненты расположены только с одной стороны и что интересно, все компоненты обычные, а не SMD. Даже как-тот непривычно, напоминает некоторые брендовые устройства.


Еще один плюс, присутствую все необходимые защитные прорези в печатной плате. Причем не только между «горячей» и «холодной» сторонами платы, а и между контактами входного разъема. Большой плюс производителю.


Как вы наверное уже догадались, я решил начертить схему данного устройства. Особенно меня интересовала реализация цепи заряда и контроля аккумулятора. Работа по своему не очень простая, но любопытство взяло свое :)
Отчасти добавляло удобства то, что некоторые номиналы подписаны на самой плате, но к сожалению далеко не все элементы имеют позиционное обозначение.


Для удобства я разделил сему на условные блоки, где показано:
Красный — высоковольтная часть БП
Синий — Низковольтная часть БП
Зеленый — зарядное устройство и реле аккумулятора
Оранжевый — Схема таймера задержки реле.


Меня интересовала схема заряда и коммутации аккумулятора, потому я ее выделил отдельно, попутно убрав те элементы, которые отношения к ее работе не имеют.
Красный — зарядная часть
Синий — управление реле.
Черный — основной блок питания.
Явно видно, что проектировал ее студент, потому как заряд идет просто через резистор. т.е. имеем цепь — дополнительная обмотка трансформатора, выпрямитель, резистор.
Не меньше меня удивило то, что аккумулятор коммутируется при помощи реле. Я как-то показывал как самому сделать небольшой бесперебойник, там коммутации не было, была защита от переразряда, стабилизация тока заряда, а также защита от неправильного подключения батареи, но был и минус, в рабочем режиме на выходе было не 12 Вольт, а 14.

Здесь же все наоборот, единственный плюс (кроме простоты) этого решения в том, что при питании от сети на выходе будет 12 Вольт, а 12-13.5 будет только при переключении на батарею.

Кстати насчет переключения, как по мне, то для устройства лучше чтобы ему питание либо вообще не отключали, либо отключали на более длительное время чем время переключения контактов реле. Некоторые видеокамеры или контроллеры могут «подвиснуть».

Схема однозначно требует доработки, но не в этот раз. В качестве небольшого анонса, у меня для обзора лежит еще один подобный блок питания. И к его обзору я планирую придумать (хотя скорее уже придумал) небольшую платку для доработки и устранения большей части недоработок. Если считаете, что это имеет смысл, то будет схема и чертежи.


Пока писал осматривал монтаж, чертил схему, то у меня было устойчивое ощущение чего-то знакомого. Такое чувство, что блок проектировали несколько человек, потому как часть реализована просто отлично, а часть из рук вон плохо.
Вроде как нормальная хорошая машина, а одно колесо из трех — от велосипеда.

Ну или еще одна аналогия :)


Осмотрел, схему начертил, немного похвалил, а также поругал, пора и тесты провести.
Был собран классический тестовый стенд, состоящий из:
1. Электронная нагрузка
2. Мультиметр
3. Осциллограф
4. Тепловизор
5. Термометр
6. Ручка


Дальше блок питания был проверен под нагрузкой с интервалами от холостого хода до максимальной мощности.
1. Холостой ход.
2. 15 Ватт (1.25А)


1. 30 Ватт (2.5 А)
2. 45 Ватт (3.75А)


Пульсации начали хоть как то себя проявлять на осциллографе только при максимальной мощности, что можно считать отличным результатом.
На всякий случай я прогнал дополнительный тест при нагрузке 110% от заявленной. Нагрев был приличный, но БП вел себя абсолютно стабильно.


Но на этом тесте я не стал останавливаться и измерил еще и КПД. Правда на КПД повлиял тот момент, что при подаче питания включается еще и одно из реле, но не думаю что на большой мощности это имеет значение.
В данном случае я проверял при помощи другой электронной нагрузки, где включал режим с постоянной мощностью, так удобнее для измерения КПД


1. Режим холостого хода + включенное реле.
2. Заряд аккумулятора.
3. Выходная мощность 15 Ватт (25%)
4. 30 Ватт (50%)
5. 45 Ватт (75%)
6. 60 Ватт (100%)

КПД при этом составил:
25% нагрузка — 74,25%
50% нагрузка — 78,53%
75% нагрузка — 78,67%
100% нагрузка — 78,84%


Все измеренные данные были сведены в таблицу.
Некоторые пояснения к таблице. Нагрузка увеличивалась поэтапно с интервалами в 20 минут, последний тест 15 минут, общее время теста составило 95 минут.
Температура диодного моста (первая колонка) приведена ориентировочно, так как я не мог подлезть пирометром и он попутно захватывал мощный резистор, который имел более высокую температуру. В качестве температуры трансформатора приведена температура его магнитопровода, как наиболее критичная.


Узнав в процессе тестов КПД устройства, а также сделав термограмму я могу сказать куда девается лишняя энергия.
На термограмме видно что самая высокая температура на обмотках трансформатора, подозреваю что хоть сердечник и выбрали с запасом, то на сечении провода немного сэкономили.
К сожалению доработать это весьма сложно. А вот при желании выиграть несколько процентов заменив выходную диодную сборку на Шоттки, вполне реально.
Но при этом я бы не сказал, что БП имел критичные температуры, пожалуй обратить внимание стоит только на выходные конденсаторы, потому как по остальным компонентам до перегрева еще далеко, особенно с учетом того, что тест проводился на максимальной мощности.
Реально безопасно можно эксплуатировать данный БП при токах до 4 Ампер.


Теперь все, подведу итоги.
Преимущества
Качественные компоненты
Реальная выходная мощность
Наличие большого количества входов управления
Наличие радиоуправления
Продуманная схемотехника (по большей части)
Все пульты укомплектованы батарейками
Очень низкий уровень пульсаций

Недостатки
Некорректная схема заряда
Отсутствие защиты от переразряда батареи
Наличие коммутации сеть/батарея.
Входной конденсатор имеет заниженную емкость

Мое мнение. Вот честно, если рассматривать данное устройство как блок питания и коммутатор замка, то просто отлично, даже и придраться особо не к чему. Качественные компоненты, нормальная схемотехника, аккуратная конструкция.
Но при этом полная противоположность собственно «фишки» данного устройства, бесперебойном питании. Зарядное надо дорабатывать, а если точнее, то переделывать, кроме того надо добавить защиту от переразряда.

В общем видно что старались, но часть работы по проектированию отдали не тому, кто знает что делает.
Теперь в планах подготовка обзора второго, подобного, устройства. Где я планирую все таки придумать как все это сделать правильно.

На этом пока закончу, надеюсь что было интересно и полезно.