11.4. Сетевой фильтр

Второй способ подключения компьютера к питающей сети – через сетевой фильтр – практически не отличается от способа, рассмотренного выше. При поломке сетевого фильтра мо­жет произойти потеря данных или выход из строя самого компьютера. Принципиальная схема сетевых фильтров Pilot L, Pilot Pro представлены на рисунке, а их технические характеристики – в таблице. Как видно на принципиальных схемах, простые сетевые фильтры выполняются практически так же, как и входные фильтры источников питания.

Принципиальная схема сетевых фильтров Pilot L и Pilot Pro

Таблица. Технические характеристики сетевых фильтров

Характеристика	Модель
	Pilot L	Pilot Pro
Номинальное напряжение/частота, В/Гц	220В/50-60	220В/50-60
Суммарная мощность нагрузки, кВт	2,2	2,2
Номинальный ток нагрузки, А	10	10
Ослабление импульсных помех, раз импульсы 4 кВ, 5/50 нс импульсы 4 кВ, 1/50 мкс	Не менее 10 Не менее 4	Не менее 30 Не менее 6
Ток помехи, выдерживаемый ограничителем, кА	Не менее 2.5	Не менее 8
Максимальная поглощаемая энергия, Дж	80	300
Уровень ограничения напряжения при токе помехи 100 А, В	700	600
Ослабление высокочастотных помех, дБ 0,1 МГц 1 МГц 10 МГц	5 10 30	20 40 20
Потребляемая мощность (не более), ВА	2	15

Как правило, сетевые фильтры защищают только от больших перепадов напряже­ния. Во многих конструкциях защитные свойства сетевого фильтра базируются на ис­пользовании в электрической схеме мощных нелинейных резисторов – варисторов. При нормальном напряжении ток через варистор практически не течет. В момент броска напряжения сопротивление варистора резко уменьшается, через варистор течет ток. Другими словами, варистор шунтирует цепь питания компьютера, телевизора и т. д., рассеивая энергию импульса на себе.

11.5. Устройства бесперебойного питания

Для третьего варианта подключения компьютера к сети характерно включение между сетью и блоком питания дополнительного устройства защиты. Обычно для этих целей используются устройства бесперебойного питания (UPS), которые предназна­чены для улучшения качества электроэнергии сети переменного тока и обеспечения бесперебойного электропитания оборудования при выходе ее из строя.

Существуют устройства бесперебойного питания нескольких основных типов, но все они обяза­тельно содержат следующие функциональные узлы:

входной фильтр-ограничитель перенапряжений;

зарядное устройство для аккумуляторов;

аккумуляторный блок;

преобразователь напряжения или инвертор;

переключатель каналов;

стабилизирующий каскад;

система управления.

Источники бесперебойного питания различают по классам: off-line (stand-by); on-line; гибридные (line interactive).

Главное различие заключается в выборе основного канала передачи энергии к по­требителю. Для класса off-line в каждый момент времени UPS может находиться в одном из двух режимов работы – stand-by или on-line. В основном режиме, когда напряжение в сети находится в допустимых пределах (standby mode), компьютер запитывается через ветвь, содержащую только входной фильтр. При этом акку­муляторы подзаряжаются от маломощного зарядного устройства, а напряжение с инвертора не поступает на выход источника. В этом режиме функционирование UPS ничем не отличается от работы обыкновенного сетевого фильтра. Никакой стабилизации напряжения не происходит.

Выход

Структурная схема UPS типа off-line

Поскольку питание компьютера и периферийного оборудования обеспечивается напряжением промышленной сети переменного тока, постоянное напряжение аккумуляторной батареи должно быть преобразовано в переменное напряжение, соответствующее но­минальному напряжению сети. Для этого в UPS используется специальное устрой­ство – инвертор. Если подача электроэнергии прекратилась или напряжение в сети стало ниже не­которой допустимой величины, то UPS подключает питание от батарей и ветвь, содер­жащую инвертор, тогда энергия к потребителю поступает от аккумуляторов. Среди достоинств UPS off-line стоит отметить простоту схемного решения, деше­визну, минимальные габариты и небольшой вес. Эти источники целесообразно исполь­зовать для защиты персональных компьютеров, периферийного оборудования, быто­вой оргтехники. Особенность данной системы в том, что переключение в on-line при выходе напряжения сети за допустимые пределы происходит очень быстро, а возврат в standby mode – с обязательной задержкой в несколько секунд. Иначе, при многократных бросках напряжения в сети, происходило бы непрерывное переключение stand-by/on-line и обратно, что привело бы к значительным искажениям тока нагрузки и возможно­му выходу ее из строя или к сбою в ее работе.

Недостаток подобных устройств – наличие времени переключения и отсутствие стабилизации выходного напряжения при работе от сети. Время переключения – это время реакции UPS на пропадание или уменьшение/превышение напряжения сети. Что бы ни писали производители UPS, это время реально не может быть меньше 10мс – один полупериод 50 Гц сети. В большинстве случаев это время составляет полный период – 20мс. Когда производитель пишет, что время переключения 1 или 2мс, то имеется в виду скорость срабатывания переключателя (коммутатора). Но ведь при­бору надо «определить», что напряжение пропало, и «принять решение» переклю­чаться, а это невозможно сделать за 1мс, ибо подобный анализ привязан к самой длительности периода переменного напряжения. В результате реальная скорость пе­реключения зачастую определяется именно временем анализа состояния сети. Это­го времени оказывается достаточно, чтобы короткие импульсы силового воздействия достигли цели.

Класс устройств бесперебойного питания типа on-line характеризуется постоян­ством включения ветви, содержащей мощное зарядное устройство, аккумулятор и инвертор на выходе блока. Иными словами, в устройствах on-line отсутствует пробле­ма переключения, т.к. в них преобразование идет всегда. Подобная схема позволяет обеспечить гальваническую развязку вход/выход стабильного синусоидального выход­ного напряжения. При выходе из строя какого-либо каскада в прямой ветви передачи энергии, перегрузках, а также при разряде аккумуляторов, переключатель каналов подключает ветвь, соединяющую вход-выход через фильтр. Этот вспомогательный путь передачи энергии, получивший название байпас, имеет особое значение при силовом деструктивном воздействии, поскольку позволяет обойти защиту устройства бесперебойного питания для поражения более важных блоков компьютерной системы (напри­мер, блок питания компьютера). Устройства бесперебойного питания типа on-line называют еще источниками с двой­ным преобразованием или кондиционером сети. В них входное переменное напряже­ние с помощью выпрямителя преобразуется в постоянное и поступает на высокочас­тотный преобразователь. С выхода этого преобразователя напряжение высокой частоты поступает на инвертор и с него – на выход устройства.

1 Вариант

2

Выход

Вариант

Структурная схема UPS типа one-line

Необходи­мость применения ВЧ – преобразователя обусловлена тем, что значительные измене­ния напряжения сети преобразуются в относительно небольшие изменения напряже­ния частоты ВЧ – сигнала на его выходе. Дело в том, что электроника компьютера более критична к изменению уровня питающего сетевого напряжения, чем к его частоте. Источники бесперебойного питания архитектуры on-line стоят дороже и применя­ются, когда необходима надежная защита жизненно важного оборудования, часто ра­ботающего круглосуточно (серверы сетей, медицинское оборудование, персональные компьютеры, выполняющие особо важные функции и т. п.). Реальные конструкции UPS по схеме on-line должны, в принципе, защищать под­ключенное к ним оборудование от силовых деструктивных воздействий, но этой защи­ты они все-таки не обеспечивают. Прежде всего, UPS имеет схему питания собствен­ных нужд, которая содержит импульсный источник питания, аналогичный компьютерному источнику, поэтому при силовом воздействии по сети питания UPS выходит из строя, причем обычно срабатывает байпас, и через него энергия силового воздействия от специальных технических средств беспрепятственно достигает цели в обход UPS. У мощных полнопроточных UPS, помимо механического, имеется электронный (тиристорный) байпас. Его паразитная емкость достигает нескольких тысяч пикофарад, поэтому короткие импульсы с крутым фронтом проходят через нее в обход UPS совершенно беспрепятственно.

Рекламируемые низкая проходная емкость самого UPS (порою сообщается о еди­ницах пикофарад) и ослабление помех на 120 – 130дБ на практике оказываются всего лишь рекламой. Короткие импульсы длительностью в несколько миллисекунд через паразитные емкости не проходят. Но если на эти импульсы в атакующих технических средствах накладываются короткие высоковольтные, которые предварительно отпи­рают по аноду тиристоры электронных байпасов, то возникает путь для пропуска ос­новной энергии к атакуемой цели.

Устройства бесперебойного питания гибридной архитектуры (line interactive) яв­ляются, по существу, усовершенствованием UPS типа off-line. У таких источников инвертор подключен к выходу постоянно и не происходит переключений режи­ма его работы при аварии питающего напряжения сети. На базе рассмотренных структурных схем UPS в настоящее время реализуются малогабаритные источники бесперебойного питания с интеллектуальной схемой уп­равления, способные плавно регулировать напряжение на выходе и отлично изолиро­вать нагрузку от шумов, импульсов и искажения синусоиды.

Выход

Структурная схема UPS типа line interactive

Устройства, выполненные по новой технологии, работают с использованием двух независимых инверторов. Первый инвертор (delta converter) обычно рассчитан примерно на 20% от выходной мощности UPS и через трансформатор соединен последовательно с цепью питания нагрузки от электросети. Будучи синхронизированным с электросетью по частоте и фазе, он добавляет к сетевому напряжению или вычитает вырабатываемое им напряжение (delta voltage), тем самым компенсируя отклонения выходного напряжения от номинала. Кроме того, на delta converter возложены также функции PFC (Power Factor Correction) и управления зарядом батарей. Второй инвертор рассчитан на 100% выходную мощность UPS и предназначен для питания нагрузки при работе от батарей. Байпасный переключатель, как и в предыдущей топологии, обеспечивает непосредственное питание нагрузки от электросети в случае неисправности UPS или его временного отключения при плано­вом обслуживании.