Новости

Статьи

Обзоры:

DIY электроника (Сделай сам!)

SSD и HDD

 Смартфоны, планшеты и ноутбуки

Аудио

Электронные книги

Фото- и видеокамеры

Мини-компьютеры

Внешние аккумуляторы

Электротранспорт

Обзоры РУНЕТа

Не думай о секундах свысока! Спасительные секунды. Бесперебойник (ИБП) из конденсаторов своими руками

Часть 1. Постановка задачи

Подача электричества имеет свойство иногда прерываться.

Перерывы бывают длительными, тогда они так и именуются - перерывами; а бывают и короткими, тогда они именуются провалами.

Причем, во время провалов напряжение даже может и не падать полностью до нуля, а только значительно понижаться; что тоже крайне вредно для компьютеров и особенно - для серверов.

Средство борьбы с такими негативными явлениями, которые единодушно осуждает весь народ, давно известно - это источники бесперебойного питания.

Но устройства эти - дорогие и требуют периодического ухода (замены аккумуляторов и последующей калибровки).

А всегда ли они нужны?

Статистика показывает, что подавляющее число проблем с подачей электричества в крупных городах - это кратковременные провалы, а их длительность в большинстве случаев не превосходит одной секунды.

В интернете есть статистическая таблица по провалам, составленная на примере Франции (но в некотором приближении это справедливо для большинства развитых стран):

(кликнуть для увеличения)

Таблица взята из этой статьи.

Жизнь эту таблицу подтверждает. Например, в Москве длительные перерывы в подаче электроэнергии бывают крайне редко (за последний год ни разу не было), а кратковременные - случаются, хотя и редко (несколько раз в год).

Наибольшую опасность для компьютерной техники представляют провалы глубиной свыше 40% по напряжению, так как блоки питания этой техники могут работать в широком диапазоне напряжений (более слабые провалы роли не играют).

Из таблицы следует интересный вывод: для предотвращения почти 90% сбоев из-за провалов напряжения достаточно иметь источник бесперебойного питания, который в состоянии поддержать питание компьютера всего лишь в течение 1-ой (одной) секунды! А на это способен даже просто хорошо заряженный конденсатор с достаточно большой ёмкостью.

Нужны ли "настоящие" блоки бесперебойного питания?

Они по-прежнему пригодятся для серверов, где снижение числа сбоев питания даже на 90% - это недостаточно. Там защита должна быть абсолютно надёжной и обязана выдерживать прямое попадание ядерного заряда мощностью в одну мегатонну в тротиловом эквиваленте.

А для "обычных" компьютеров бесперебойник может быть даже вреден, поскольку изношенные аккумуляторы (не заменённые вовремя) могут сами стать источником проблем с питанием.
 

Часть 2. Проблемы, которые надо решить + схема бесперебойника на конденсаторах

Дополнительные конденсаторы, казалось бы, можно просто подключить в параллель к тем конденсаторам, которые уже есть в блоке питания.

Но это было бы чревато "вышибанием" автоматов защиты сети от перегрузки по току; поскольку в момент подключения к сети в конденсаторы шла бы "заливка" огромной энергии за короткое время.

Отсюда проистекает необходимость ограничивающего резистора для зарядки конденсаторов, а также диода для обхода этого резистора в "боевой" работе, когда ток от конденсаторов отдаётся в нагрузку при возникновении провала в питающем напряжении.

И вот, получается такая схема:

Краткое описание схемы и номиналы элементов.

Предохранитель, как обычно, ставится "на всякий случай". В опытном экземпляре был установлен предохранитель на 3.15 А.

Диоды D1...D4 образуют диодный мост, можно использовать готовый (был использован на 600 В 10 А). Через этот мост постоянно питается блок питания компьютера, допустимый импульсный прямой ток должен быть не менее 10 А, обратное напряжение - не менее 400 В.

Резистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов. Выбирается в пределах 20...100 Ом (был использован на 22 Ом). Чем больше ёмкость конденсаторов - тем больше номинал. Мощность должна быть достаточно большой (не менее 5 Вт), т.к. через этот резистор проходит вся энергия, которой заряжаются конденсаторы.

Диод D5 обеспечивает передачу тока от конденсаторов в нагрузку в течение провала во входном напряжении. Максимальный допустимый ток должен быть не менее 2 А, обратное напряжение - не менее 400 В (был установлен старосоветский Д237).

Конденсаторы C1...C3 выполняют в этом блоке бесперебойного питания на конденсаторах основную функцию - накопление энергии. Были установлены электролиты 1000 мкФ на 450 В (3 шт.); минимально допустимое напряжение - 400 В.

Резистор R2 при боевой работе никакой роли не играет; он служит для постепенной разрядки конденсаторов, когда этот "бесперебойник" не используется. Использован номинал 1.3 МОм.

Электролитические конденсаторы были приобретены на Алиэкспресс (ссылка), остальные элементы нашлись в "домашнем хозяйстве".

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

В итоге, схема получает переменное напряжение 220 В, а на выход отдаёт постоянное напряжение 310 В.

Отсюда - важнейший вывод: такой источник бесперебойного питания из конденсаторов можно использовать только для питания устройств, содержащих собственные импульсные блоки питания без силовых трансформаторов. Подача постоянного тока на устройство с трансформатором приведёт к его сгоранию и другим нехорошим последствиям.
 

Часть 3. Расчет возможной длительности работы компьютера в зависимости от потребляемой мощности

При зарядке до 310 В накопленная энергия составляет CU²/2 = 144.2 Дж.

С учетом возможного снижения напряжения в процессе разряда на 50% (до отключения компьютера), полезная энергия составит 75% от запасённой, т.е. 108 Дж.

Время поддержки работоспособности компьютера будет зависеть от его потребляемой энергии, которая, в свою очередь, будет зависеть от режима (например, офисная работа или "тяжелая" компьютерная игра).

Примеры расчетной длительности работы "на конденсаторах" в зависимости от потребляемой компьютером мощности:

50 Вт - 2.16 с (секунд);

100 Вт - 1.08 с;

200 Вт - 0.5 с;

300 Вт - 0.33 с.

Здесь первые две строки примерно соответствуют офисной работе, а последние две - "средним" компьютерным играм. Для "тяжелых" игр длительность работы "на конденсаторах" будет ещё ниже.
 

Часть 4. Конструкция блока бесперебойного питания на конденсаторах

Здесь рассматривает просто пример опытного образца, т.е. чистая импровизация.

Сразу надо сказать, что самое главное в таких конструкциях - это электробезопасность. Её нарушать нельзя ни при каких обстоятельствах!

В качестве корпуса был использован сгоревший компьютерный блок питания старинного образца с дополнительным разъёмом для подключения монитора.

Основные элементы схемы были размещены на пластине из плотного пластика. т.к. это - диэлектрик, что уменьшает возможность коротких замыканий и улучшает электробезопасность.

Имевшийся на входном разъёме 220 В фильтр был оставлен, но его наличие - не обязательно.

Компоновка бесперебойника получилась такой:

После сборки корпуса получилась такая конструкция:

Для подключения к сети использовался стандартный компьютерный кабель питания, а для подключения к компьютеру - не менее стандартный удлинитель для кабеля питания.

Приведённая на фотографиях конструкция - это опытный образец, сделанный "на коленке". В полноценных конструкциях желательно использовать пластиковый корпус с целью повышения электробезопасности.

Часть 5. Технические испытания блока бесперебойного питания на конденсаторах

Для испытаний использовался компьютер офисного класса в режиме без запуска энергоёмких программ (что соответствует работе типовых офисных программ: Word, Excel и т.п.).

Для контроля процессов в этом бесперебойнике на конденсаторах проводилось выдёргивание шнура питания с записью осциллограмм напряжения на конденсаторах.

Осциллограмма при отключении питания:

Момент отключения питания обозначен первой красной вертикальной чертой.

В середине спадающей кривой видна точка перегиба, обозначенная второй красной вертикальной чертой. Это - момент отключения компьютера из-за падения мощности питания.

Таким образом, этот "бесперебойник" смог поддержать питание компьютера в течение 1.2 секунды.

Затем спад продолжился: это блок питания компьютера безнадёжно пытался поддержать дежурное питание +5 В, которое обычно подаётся на материнку при выключенном состоянии компьютера.

Для сравнения: при отключении питания без этого "бесперебойника" компьютер выключался почти мгновенно (т.е. менее, чем через 0.3 секунды, учитывая инерционность нашего зрения).

Теперь - осциллограмма заряда конденсаторов при подключении к сети питания:

Благодаря резистору, ограничивающему ток, подъём напряжения происходит постепенно и не "вырубает" сеть.
 

Итоги и выводы

Итак, поставленная цель была достигнута: этот "бесперебойник" поддержал питание компьютера в течение чуть более, чем одной секунды. С учетом приведённых в этой статье данных, это - немало!

От всех неполадок в сети это не спасёт, но значительную их часть нейтрализует.

Увеличивая число электролитических конденсаторов и/или их ёмкость, можно добиться более длительной работы этого блока бесперебойного питания на конденсаторах. Но во всём нужно соблюдать меру: длительность свыше 3 секунд вряд ли имеет смысл; лучше тогда уж поставить настоящий бесперебойник.

В принципе, возможно это устройство упростить и расположить внутри компьютера. Для этого достаточно убрать из схемы диодный мост с предохранителем и подключить остальную часть схемы прямо к диодному мосту блока питания компьютера (соединительные провода пропустить так, чтобы они не перетирались и не резались).

Преимущество этого устройства - практически вечный срок годности, в отличие от бесперебойников на аккумуляторах (где их надо периодически менять).

Необходимо также учитывать, что при выполнении работ в интернете в режиме онлайн (например, набор текстов в облачном хранилище) для сохранения данных потребуется также аналогичный бесперебойник и для роутера; иначе при разрыве соединения могут потеряться данные (но могут и не потеряться, как повезёт).

Важно: этот "бесперебойник" сначала надо соединить с компьютером (причём конденсаторы "бесперебойника" должны быть в разряженном состоянии), и только потом всю систему подключать к питающей сети.

Самая дорогая часть устройства - это электролитические конденсаторы большой ёмкости на высокое напряжение. Их целесообразно приобрести на Алиэкспресс.

Примеры цен на дату статьи со ссылками:

1000 мкФ 450 В поштучно - около $4 с учетом доставки.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

При составлении обзора был использован осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

     Ваш Доктор.
   09.07.2020

      Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам                      

В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов - в Ваших же интересах!

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов активная ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!