Суть статьи – использование старого компьютерного ИБП (источник бесперебойного питания) Back-UPS APC 300 (способного стартовать без подключение к электросети) в качестве основы домашней солнечной электростанции.
Роль ИБП заключается в защите компьютерного оборудования от кратковременных отключений электроэнергии 220 В. Резервная работа осуществляется благодаря батарее, размещенной внутри ИБП. Существуют разные типы бесперебойников с различной концепцией работы (у одних инвертор работает постоянно, у других только при необходимости и другие), но именно этот обычно питает ПК напрямую от сети и переключает его на инвертор, а батарея только в случае сбоя питания задействуется. Конечно, это не позволит компьютеру работать долго, но хоть может сохранить работу и безопасно выключить компьютер.
В данном бесперебойнике достаточно включить кнопкой рабочий режим без подключения к сети, чтоб на выходе создалось 220 вольт. В ситуации, когда он подключен к сети и пропадает сетевое напряжение, он работает нормально, но чтобы иметь возможность включаться вообще без подключения к сети, просто нужно закоротить две контактные площадки на плате. В других моделях есть отдельная кнопка «холодного пуска», либо «холодный» пуск поддерживается, например, более длительным нажатием основной кнопки.
Для какой солнечной установки нужен этот ИБП? Для панели 25 Вт, чтоб иметь возможность питания потребителей тока до 100 Вт и более. Изначально планируется питать от него ноутбук и другие аналогичные девайсы.
У APC 300 Back-UPS на передней панели находится только главный выключатель со светодиодом режима ожидания. Сзади можно переключаться между 50 и 60 Гц, а также между напряжениями (4 различных варианта) и включать/отключать зуммер.
Только три из четырех гнезд сохраняются после потери питания. Одно обеспечивает только защиту от перенапряжения и имеет символ принтера рядом с ней. Батарейный отсек открывается снизу. Сняв крышку корпуса, можно увидеть электронику:
Сразу бросается в глаза огромный инверторный трансформатор, используемый для преобразования 12 В в 220 В. Кого-то может удивить, почему там нет импульсного блока питания? Дело простое, этот блок питания дает 50 Гц на выходе, поэтому наиболее удобной конструкцией было добиться ее манипуляцией постоянным током на этой частоте через обычный трансформатор. Это очень примитивная конструкция, которая, кстати, дает не синусоиду, а прямоугольник, но об этом позже.
Чуть ниже спрятан второй трансформатор — тот, что заряжает аккумуляторы.
Схемотехника UPS
Полная схема может показаться довольно сложной, тут приводятся лишь фрагменты.
Здесь имеем 4 MOSFET транзистора с N каналом, 50 В, 0.028 Ом rdsOn, они работают попарно. Затворы Q5 и Q4 управляются вместе (хотя каждый из них имеет отдельный резистор затвора). Все истоки транзисторов заземлены, а стоки соединены попарно. Это называется двухтактная топология.
Средний отвод (обозначен как CT, Center Tap) в свою очередь подключается к 12 В от аккумулятора, и транзисторы закорачивают его на землю (попеременно с определенным мертвым временем, иногда когда оба закрыты). Также тут можно увидеть антипомеховые фильтры и реле, которое переключает питание от сети и инвертор.
Маркировка на реле NO означает «Нормально открытый» (разомкнут, когда катушка реле обесточена), а на НЗ реле означает «Нормально замкнутый» (наоборот). В остальном ИБП довольно сложный. Схема реализована без микроконтроллера.
У нас здесь среди прочего KA339 (компаратор), HEF4066BP (аналоговый переключатель), CD4001 (вентиль NOR CMOS), MM74C14N (триггер Шмитта Hex), HEF4011BP (вентиль NAND) и CS3524AN (ШИМ-контроллер).
Доступные только после снятия корпуса потенциометры позволяют, среди прочего, выполнять точную настройку напряжения и частоты работы, что также можно проверить на схеме.
В случае данного блока питания, «холодный пуск» можно включить только доработав его на плате. Вероятно, в одной из его версий была кнопка для этого, а в самой дешевой она вообще не была установлена. Перемычку нужно поставить на плате как по схеме.
Эти типы ИБП не предназначены для непрерывной работы. В обычной конфигурации батареи обычно хватает на несколько минут, чтобы безопасно выключить компьютер. По этой причине электроника внутри имеет небольшие радиаторы, неспособные эффективно рассеивать большое количество тепла.
Тестирование устройства
Прежде чем использовать свой старый ИБП в качестве инвертора солнечной электростанции, следует хорошо подумать о его перегреве. Лучше всего проверить это на практике. Для этого проведены несколько часов тестов с различными нагрузками.
- Тест лампы, 25 Вт: нагрев после долгого времени был незаметен.
- Ноутбук в режиме высокой производительности, с зарядкой аккумулятора, потребляет около 35 Вт, с пиками до 50 Вт: после часа работы самыми теплыми были трансформатор и транзисторы, но они не превышали 30°С.
На практике устройство использовано на дачном участке. Там уже стоит простая солнечная установка, включающая в себя:
- солнечная панель 18 В 25 Вт
- 30 А W88-C Solar Charge Controller, контроллер заряда
- два аккумулятора от ИБП 12 В, 7.2 Ач
- и теперь данный бесперебойник.
В тест входило питание ноутбука Acer. В основном полные аккумуляторы (постоянно подзаряжаемые от панели) позволяли пользоваться ноутбуком менее 3-х часов. ИБП был лишь слегка теплым. Потом удалось подзарядить ноутбук после перерыва, так как день был солнечный и система все время работала. В целом, благодаря ИБП и собственному встроенному аккумулятору, ноутбук проработал на улице более 5 часов.
Далее стоит показать, какая форма сигнала на выходе данного ИБП. Он не генерирует ни полной синусоиды, ни даже приблизительной, это было бы слишком дорого, в любом случае для тех нагрузок на которые он рассчитан это не имело бы значения. Выход представляет собой прямоугольник с мертвым временем, который лишь притворяется синусоидой:
Это означает что не получится подключить к нему, например, индуктивную или емкостную нагрузку, но в большинстве случаев это не проблема. Под нагрузкой более 200 ватт напряжение немного падает.
В общем такое оборудование действительно достойно уважения. Ведь у него есть отдельный трансформатор для зарядки аккумулятора и вся нужная электроника. А ещё можно построить ветряную электростанцию и тоже заряжать аккумуляторы и получать 220 В от таких переделанных ИБП.
Таким образом старый компьютерный ИБП, хотя и не предназначен для непрерывной работы, все же можно использовать как инвертор 12 – 220 В в маломощной солнечной установке. Ввод в эксплуатацию APC 300 без подключения к сети оказался очень простым, а сам блок питания этим летом регулярно работает, тем более что часты солнечные дни. Помимо ноутбука нагружаем его зарядными устройствами для электроинструмента, что тоже оказалось весьма полезным на даче.