Cách thiết kế mạch nguồn điện liên tục (UPS)

Trong hướng dẫn ngắn gọn này, chúng ta học cách thiết kế một mạch UPS tùy chỉnh ở nhà sử dụng các thành phần thông thường như một vài IC NAND và một số rơ le.

UPS là gì

UPS là viết tắt của nguồn điện liên tục là bộ biến tần được thiết kế để cung cấp nguồn điện xoay chiều liền mạch cho tải được kết nối mà không có một chút gián đoạn nào, bất kể mất điện đột ngột hoặc biến động hoặc thậm chí là mất điện.

UPS trở nên hữu ích đối với PC và các thiết bị khác liên quan đến việc xử lý dữ liệu quan trọng và không thể để nguồn điện bị gián đoạn trong một hoạt động xử lý dữ liệu quan trọng.

Đối với những thiết bị này, UPS trở nên rất tiện dụng do nguồn điện dự phòng tức thời cho tải và cung cấp cho người dùng nhiều thời gian để lưu dữ liệu quan trọng của máy tính, cho đến khi nguồn điện lưới thực sự được khôi phục.

Điều này có nghĩa là UPS phải cực kỳ nhanh chóng khi chuyển đổi từ nguồn điện lưới sang biến tần (chế độ dự phòng) và ngược lại khi có thể xảy ra sự cố nguồn điện lưới.

Trong bài viết này, chúng ta tìm hiểu cách tạo ra một UPS đơn giản với tất cả các tính năng tối thiểu, đảm bảo rằng nó tuân thủ các nguyên tắc cơ bản ở trên và cung cấp cho người dùng nguồn điện chất lượng tốt, không bị gián đoạn trong suốt quá trình hoạt động của nó.

Các giai đoạn của UPS

Mạch UPS cơ bản sẽ có các giai đoạn cơ bản sau:

1) Một mạch biến tần

2) Pin

3) Một mạch sạc pin

4) Giai đoạn mạch chuyển đổi sử dụng rơ le hoặc các thiết bị khác như triac hoặc SSR.

Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu cách các giai đoạn mạch trên có thể được xây dựng và tích hợp với nhau để triển khai Hệ thống UPS .

Sơ đồ khối

Các giai đoạn chức năng được đề cập của một bộ cấp điện liên tục có thể được hiểu chi tiết qua sơ đồ khối sau:

Ở đây chúng ta có thể thấy rằng chức năng chuyển đổi chính của UPS được thực hiện bởi một vài giai đoạn chuyển tiếp DPDT.

Cả hai rơ le DPDT đều được cấp nguồn từ bộ chuyển đổi hoặc nguồn điện 12 V AC sang DC.

Có thể thấy rơ le DPDT bên trái điều khiển bộ sạc pin. Bộ sạc pin được cấp nguồn khi có nguồn điện AC thông qua các tiếp điểm rơ le phía trên và cung cấp đầu vào sạc cho pin qua các điểm tiếp xúc rơ le phía dưới. Khi nguồn điện AC bị lỗi, các tiếp điểm rơ le sẽ chuyển sang các tiếp điểm N / C. Các tiếp điểm rơ le phía trên sẽ TẮT nguồn điện cho bộ sạc pin, trong khi các điểm tiếp xúc phía dưới kết nối pin với bộ biến tần để bắt đầu hoạt động ở chế độ biến tần.

Các tiếp điểm rơle bên phải được sử dụng để chuyển từ nguồn điện xoay chiều lưới sang nguồn điện xoay chiều biến tần và ngược lại.

Một thiết kế UPS thực tế

Trong phần thảo luận sau, chúng tôi sẽ cố gắng hiểu và thiết kế một mạch UPS thực tế.

1) Biến tần.

Vì UPS phải xử lý các thiết bị điện tử quan trọng và nhạy cảm, nên giai đoạn biến tần liên quan phải được nâng cao hợp lý với dạng sóng của nó, nói cách khác, một biến tần sóng vuông thông thường có thể không được khuyến nghị cho UPS, và do đó, đối với thiết kế của chúng tôi, chúng tôi đảm bảo rằng điều kiện này được chăm sóc cẩn thận.

Mặc dù tôi đã đăng nhiều mạch biến tần trong trang web này, bao gồm PWM sinewave các loại , ở đây chúng tôi chọn một thiết kế hoàn toàn mới chỉ để làm cho bài viết thú vị hơn và thêm một mạch biến tần mới trong danh sách

Thiết kế UPS chỉ sử dụng một IC 4093 và vẫn có thể thực hiện tốt sóng sin được sửa đổi PWM các chức năng ở đầu ra.

Danh sách các bộ phận

• N1 --- N3 Cổng NAND từ IC 4093
• Mosfets = IRF540
• Biến áp = 9-0-9V / 10 amps / 220V hoặc 120V
• R3 / R4 = 220k nồi
• C1 / C2 = 0,1uF / 50V
• Tất cả các điện trở là 1K 1/4 watt

Hoạt động mạch biến tần

Các IC 4093 bao gồm 4 cổng NAND loại Schmidt , các cổng này được cấu hình và bố trí thích hợp trong mạch biến tần được trình bày ở trên, để thực hiện các thông số kỹ thuật cần thiết.

Một trong các cổng N1 được thiết kế như một bộ dao động để tạo ra 200 Hz, trong khi một cổng N2 khác được nối dây làm bộ dao động thứ hai để tạo ra các xung 50Hz.

Đầu ra từ N1 được sử dụng để điều khiển các mosfet đính kèm ở tốc độ 200Hz trong khi cổng N2 cùng với các cổng bổ sung N3 / N4, chuyển đổi luân phiên các mosfet ở tốc độ 50Hz.

Điều này để đảm bảo rằng các mosfet không bao giờ được phép dẫn đồng thời từ đầu ra của N1.

Các đầu ra từ N3, N4 ngắt tần số 200Hz từ N1 thành các khối xung thay thế được máy biến áp xử lý để tạo ra PWM AC ở 220V dự định.

Phần này kết thúc giai đoạn biến tần cho phần hướng dẫn tạo UPS của chúng tôi.

Giai đoạn tiếp theo giải thích chuyển đổi mạch chuyển tiếp , và cách nối dây biến tần trên với các rơ le chuyển đổi để tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động sao lưu biến tần tự động và sạc pin khi mất nguồn điện và ngược lại.

Giai đoạn chuyển đổi rơ le và mạch sạc pin

Hình ảnh dưới đây cho thấy cách phần biến áp của mạch biến tần có thể được cấu hình với một số rơ le để thực hiện chuyển đổi tự động cho thiết kế UPS được đề xuất.

Hình cũng cho thấy một mạch sạc pin tự động đơn giản sử dụng IC 741 ở phía bên trái của sơ đồ.

Đầu tiên chúng ta hãy tìm hiểu cách đấu dây của các rơ le chuyển đổi và sau đó chúng ta có thể tiến hành giải thích bộ sạc pin.

Trong tất cả, có 3 bộ rơle được sử dụng trong giai đoạn này:

1) 2 số rơ le SPDT ở dạng RL1 và RL2

2) Một rơle DPDT như RL3a và RL3b.

RL1 được gắn với mạch sạc pin và nó điều khiển cắt mức sạc cắt cao / thấp cho pin và xác định khi nào cần pin sẵn sàng sử dụng cho biến tần và khi nào cần tháo ra.

SPDT RL2 và DPDT (RL3a và RL3b) được sử dụng cho các hành động chuyển đổi tức thì khi mất điện và khôi phục. Tiếp điểm RL2 được sử dụng để kết nối hoặc ngắt kết nối vòi trung tâm của máy biến áp với pin tùy thuộc vào nguồn điện có sẵn hoặc không.

RL3a và RLb là hai bộ tiếp điểm của rơle DPDT chịu trách nhiệm chuyển tải qua nguồn điện biến tần hoặc nguồn lưới trong thời gian mất điện hoặc thời gian khôi phục.

Các cuộn dây của RL2 và DPDT RL3a / RL3b được nối với 14V Nguồn cấp sao cho các rơ le này nhanh chóng kích hoạt và hủy kích hoạt tùy thuộc vào trạng thái nguồn điện đầu vào và thực hiện các hành động chuyển đổi cần thiết. Nguồn điện 14V này cũng được sử dụng làm nguồn để sạc pin biến tần khi có nguồn điện chính.

Có thể thấy cuộn dây của RL1 được kết nối với mạch opamp điều khiển quá trình sạc pin của pin và đảm bảo việc cung cấp cho pin từ nguồn 14V sẽ bị ngắt ngay khi nó đạt đến cùng giá trị.

Nó cũng đảm bảo rằng trong khi pin ở chế độ biến tần và được tiêu thụ bởi tải, mức xả thấp hơn của nó không bao giờ xuống dưới 11V và nó sẽ ngắt pin khỏi biến tần khi nó đạt đến mức này. Cả hai hoạt động này đều được thực hiện bởi rơle RL1 để đáp ứng với các lệnh opamp.

Quy trình thiết lập cho mạch sạc ắc quy UPS trên có thể được học từ bài viết này. làm thế nào để tạo ra một bộ sạc pin cắt cao thấp bằng cách sử dụng IC 741

Bây giờ nó chỉ cần tích hợp tất cả các giai đoạn trên với nhau để thực hiện một UPS nhỏ trông đẹp, có thể được sử dụng để cung cấp nguồn điện liên tục cho PC của bạn hoặc bất kỳ thiết bị tương tự nào khác.

Vậy là xong, phần này kết thúc phần hướng dẫn thiết kế mạch UPS cá nhân của chúng tôi mà bất kỳ người mới chơi nào cũng có thể dễ dàng thực hiện bằng cách làm theo hướng dẫn chi tiết ở trên.