Четыре схемы резервного питания. Схема переключателя питания Автоматическое переключение на резервный источник питания

Довольно часто возникает необходимость обеспечить резервное питания вашего устройства, в данной статье рассматривается 4 способа как обеспечить это.

Самый простой

Самый простой способ перейти на резервное питание-2 диода

Будет открыт только один из диодов, от того источника питания, напряжение на котором больше. Преимущества схемы-простота и дешевизна. Недостатки схемы очевидны, зависимость напряжения на нагрузке от тока, типа диода(шотки или обычный), температуры. Напряжение всегда будет ниже чем у источника на величину падения напряжения на диоде.

Немного сложней

Это схема немного сложнее, работает она следующим образом: когда напряжение VCC присутствует, и оно больше чем напряжение резервного источника(в данном случае это батарея BT2), то мосфет закрыт, потому что напряжение на затворе(Gate) выше чем на Истоке(Source), пропуск напряжения к нагрузке и Истоку обеспечивает открывшийся диод D3. Когда VCC пропадет, напряжение на Затворе пропадет вслед за ним, зато откроется диод внутри мосфета, обеспечив напряжение на Истоке, ну а поскольку на истоке теперь есть напряжение, а на Затворе нет, то транзистор полностью откроется, обеспечив коммутацию батареи без потери напряжения. Данный способ отлично подходит для коммутации питания для модуля GSM, внешнее напряжение выбираем 4,5в, тогда к модулю через диод D3 придет 4,2-4,3в а от батареи напряжение будет идти без потерь.

Дорогой но без потерь

Без потерь напряжения можно коммутировать источники с помощью специальных микрочхем, в частности LTC4412 скачать даташит Однако, эта микросхема бывает дефицитной и дорогой.

Оптимальный без потерь

Ну вот и подошли к оптимальному способу, причем без потерь. Для начала рассмотрим блок схему LTC4412

Сразу понятно, что в ней нет ничего сложного, так почему бы не повторить её на дискретных элементах? Блок PowerSorceSelector-это матрица из двух диодов, обеспечивает питание остальной схемы, A1-это компаратор, AnalogController-непонятно что, однако можно предположить, что ничего особо важного он не делает, позже станет понятно почему.

Попробуем изобразить это.

DA3-это компаратор. Он сравнивает напряжения на двух источниках. Питается через диод D4 или D5. Когда напряжение на VCC больше чем на батарее, на выходе компаратора устанавливается высокий уровень, это закрывает VT2, и открывает VT3, потому что он подключен на выход через инвертор. Таким образом, VCC проходит на нагрузку без потерь. В случае, когда VCC будет меньше батареи, низкий уровень на выходе компаратора закроет VT3 и откроет VT2.

Надо сказать пару слов о выборе деталей. DA3, DD1 должны иметь потребление, которое допустимо в данной системе, выбор очень широк, от единиц миллиампер, до сотен наноампер (например MCP6541UT-E/OT и 74LVC1G02). Диоды обязательно шотки, если падение на диоде будет выше порога открытия транзистора(а у IRLML6402TR он может быть -0,4в), то он не сможет полностью закрыться.

имеет не менее двух питающих вводов для подключения нагрузки резервных источников питания: генератора, аккумуляторной батареи или выключателя, разделяющего сеть. В случае потери основного, надёжность электроснабжения даёт резервный. При восстановлении питания на главном вводе происходит автоматическое переключение нагрузки на него.
Допустимые пределы напряжения и временные параметры АВР устанавливаются регуляторами на лицевой панели АВР. Автоматический ввод резерва АВР-02 и АВР-02G обладают функцией ограничения доступа к настройкам вводами PIN-кода. Питание АВР - от контролируемого ввода.
АВР разделяют на:
АВР одностороннего действия. В таких схемах присутствует одна рабочая секция питающей сети, и одна резервная. В случае потери питания на рабочем вводе, блок ввода резерва подключит резервный.
АВР двухстороннего действия. В этой схеме каждая из двух линий рабочая и резервная.

контроль напряжения по двум независимым 3-х фазным вводам с общей нейтралью, подключение 2 входов на 2 нагрузки по схеме с секционной коммутацией и заданными временными задержками

Многофункциональный АВР.
Работа с трёх и однофазными генераторами.
Два входа, ЖКИ индикатор, 3х400B+N, 5х8А

контроль питания по 2-м входам и управление
3-мя силовыми контакторами

Два ввода, однофункциональный.
Работа с трёх и однофазными генераторами.
Питание 3х400B+N, 5х8А

АВР с функцией запуска и управления однофазным бензиновым генератором
напряжение питания АС-220/50, DC-12

два ввода, две нагрузки,
с секционным выключателем,
питанием 3х400B+N, 4Р х 16А

Щитовое исполнение, 2 входа, 1 нагрузка автоматический контроль обоих трёхфазных входов. Управление коммутационными аппаратами без индикации их состояния. Индикация готовности и причин аварии.

питание 3х400B+N, 3х16А переключающих, монтаж на DIN-рейке

Сбой в электропитании создает не только дискомфорт, но может привести к значительному материальному ущербу и к угрозе безопасности людей. Бесперебойное питание обеспечивается двумя источниками электроэнергии, одним из которых обычно является электросеть, а другим – аккумулятор, дизель-генератор и другие.

Щит подключения резерва с двумя независимыми вводами

Бесперебойность питания может быть создана подачей питания от двух источников сразу. Способ имеет следующие недостатки:

более высокий ток КЗ;
повышенные потери электроэнергии;
усложнение системы защиты.

Автоматический ввод резерва (АВР) позволяет быстро восстанавливать подачу электричества посредством включения коммутирующего устройства, разделяющего питающие линии. Реальное время срабатывания составляет десятки секунд, но может достигать 0,3 сек. При этом необходимо учитывать мощность дополнительного источника питания, чтобы он справлялся с подключением системы потребителей. Если этого достичь не удается, схема защиты организуется таким образом, что подключаются только наиболее важные нагрузки.

На фото выше изображен щит АВР с двумя независимыми вводами.

Типы и требования к АВР

Переключатель АВР бывает 2 типов:

односторонний – одна из линий питания является рабочей, а другая резервной;
двухсторонний – любой ввод может быть рабочим или резервным.

От АВР требуются высокое быстродействие и обязательное включение, независимо от того, по каким причинам исчезло напряжение.

Автоматическое включение резерва происходит по сигналу от датчика, например, реле минимального напряжения. Контролируется питание на вводах и чередование фаз.

К АВР предъявляются следующие требования:

Отсутствие короткого замыкания на контролируемом участке.
АВР служит для подключения резерва всегда, когда исчезает напряжение на входе к потребителю. Исключением является КЗ, при котором АВР блокируется.
Однократность срабатывания. Переключатель не может включаться больше одного раза, пока не устранено КЗ.
Возможность настройки порога срабатывания по напряжению, чтобы уменьшить влияние его просадок при пусках двигателей нагрузок.
Переключатель будет срабатывать только при условии присутствия напряжения на резервном участке.

Если перечисленные условия выполняются, логическая система АВР подает команду отключить вводной выключатель и включить секционный. При этом осуществляется электрическая блокировка их одновременного включения. Некоторые модели АВР комплектуются еще механической блокировкой.

Работа АВР с генератором

Электроснабжающие компании разделяют потребителей на три категории по степени надежности снабжения электроэнергией. Частные дома и квартиры относятся к третьей – самой низкой категории. В квартирах обычно применяют бесперебойные источники питания на аккумуляторах.

Для частного дома резервным источником питания также может быть бензиновый или дизель-генератор. Если прежде их вводили в работу вручную, то теперь возможен автоматический запуск. Все зависит от того, какую за это платить цену.

Для автоматического резервирования предпочтительно применять устройство с микропроцессорным управлением. В быту и производстве широко распространены программируемые реле-контроллеры Easy. На вход реле поступают сигналы с датчиков напряжения. При отключении питания контроллер запускает двигатель генератора. После достижения номинальных параметров, на что тратится определенное время, схема АВР переключает нагрузку на резервное питание. При этом имеют место временные задержки с подключением. Для бытовых нужд они допустимы, а для мощных и ответственных нагрузок задача становится более сложной.

На рисунке изображена схема бесперебойного питания с помощью дополнительного дизель-генератора.

Схема подключения резервного дизель-генератора к нагрузке

К входу АВР подключены сеть и генератор, а выход – к нагрузке. Основным источником питания обычно является сеть. При отключении напряжения в сети запускается генератор, после чего АВР подключает нагрузку к нему. Как только работа электросети восстанавливается, происходит переключение питания в прежний режим, а генератор через заданное время выключится. На рисунке ниже изображена электрическая схема бесперебойного питания.

Выполнение АВР на контакторах

Схема применяется для однофазной сети частного дома или небольшого производственного здания.

Схема АВР на одном контакторе для однофазной сети

Для ввода схемы в работу включаются автоматы SF1 и SF2. Питание подается на контактор КМ1 – переключатель основного и резервного ввода. При его срабатывании контактом КМ1.1 подключается цепь основного источника питания, а цепь резервного размыкается контактом КМ1.2.

Включается двухполюсный выключатель QF1, контакты которого замыкают цепь основного источника питания.

При возникновении аварийной ситуации, когда главный ввод обесточивается, контактор КМ1 отключается и происходит отключение главной сети и подключение резерва нормально замкнутым контактом КМ1.2. Когда питание основного ввода восстанавливается, снова происходит переключение на него нагрузок с помощью контактора.

При необходимости ручного подключения резерва, достаточно отключить автоматический выключатель SF1.

Необходимо учитывать мощность резервного источника. Обычно от него запитываются самые необходимые нагрузки, например, освещение и отопление.

Коммутация фазы и нейтрали (контакты КМ1.1 и КМ 1.2 на рис. ниже) одновременно дает возможность полностью исключить из работы неработающий ввод и использовать автономный резерв.

Схема АВР на одном контакторе с отключением фазы и нуля

Включение АВР в работу производится как и в предыдущей схеме, только переключатель КМ1 разрывает или подключает фазу и ноль. Схема наиболее распространена для подключения автономного источника напряжения, например, бесперебойника или дизель-генератора. Здесь подробно изображено подключение нагрузок через двухполюсные автоматы QF2, QF3, QF4, а также показан провод заземления РЕ, который не связан с питанием нагрузок. Он подключается к корпусам электроприборов и выполняет функцию защиты от поражения током.

На рисунке изображена типовая схема подключения модуля АВР-3/3 для трехфазных цепей питания и резерва.

Типовая схема подключения модуля АВР -3/3

Фазы на модуле имеют маркировку L1, L2, L3, нейтраль – N. К клеммам 11, 12, 14 подключены переключающие контакты встроенных реле. Устройство имеет управление с помощью микропроцессора, контролирующего напряжение по двум трехфазным линиям.

Видео про ввод резерва

Как собрать блок АВР для генератора, можно узнать из этого видео.

Перерывы в подаче электроэнергии могут быть причиной различных негативных явлений у потребителей. Устройство АВР позволяет сохранить работоспособность объектов, для которых крайне необходима постоянная подача напряжения питания.

Могла сработать только тогда, когда пропадало напряжение основного источника, от понижение или повышения напряжения защитить нагрузку не могло. В новом варианте устройства были исправлены эти недочёты, а именно:

Устройство не переключит нагрузку на резервный источник питания при наличии даже пониженного напряжения основного источника.

Устройство не способно работать при напряжении менее 6-ти вольт.

Устройство не защитит нагрузку при повышении напряжения сверх допустимой величины.

Новый вариант устройства обладает значительно улучшенными характеристиками.

Способно работать при входном напряжении основного источника от 6 до 15 в.

Защита нагрузки от пониженного или повышенного напряжения. Для контроля напряжения основного источника используются два компаратора. При отключении основного источника напряжения, работа устройства аналогична его предыдущей версии.

Ток потребляемый нагрузкой ограничен только максимальным током, который могут выдержать контакты применяемого электромагнитного реле.

Питается устройство от резервного источника питания на 12 в и потребляет ток около 100 ма, в случае если напряжение основного источника меньше 12-ти вольт, нужно применить стабилизатор и включить его в разрыв показанный на схеме, а также установить пороги срабатывания защиты построечными резисторами.

Работа устройства

Напряжение основного источника поступает на резисторы R6 и R12 с которых напряжение поступает на входы компараторов, где сравнивается с напряжением поступающим со стабилизатора VR1. Отдельный стабилизатор VR1 применён для того, чтобы при изменении величины напряжения резервного источника питания не менялись пороги срабатывания защиты. Кратко опишу для чего предназначены эти подстроечные резисторы. Резистор R12 отвечает за срабатывание защиты при падении напряжения ниже минимального порога, который этим резистором выставляется. В моём случае этот порог 10.5 вольт и для того, чтобы его выставить, нужно при входном напряжении 10.5 вольт с помощью этого резистора выставить на выводе 7 компаратора напряжение 1.3в, что ниже порога срабатывания компаратора, так как на 6 ноге микросхемы напряжение 1.65 вольта, сразу же сработает защита. Резистор R6 отвечает за срабатывание защиты в случае критического повышения напряжения основного источника. В моём случае величина максимального напряжения установлена на уровне 13 вольт. При этом напряжении резистором R6 необходимо выставить на 5-й ноге микросхемы напряжение 4 вольта, что приведёт к срабатыванию защиты и переключению нагрузки на резервный источник. Благодаря этим резисторам защита срабатывает при понижении напряжения до 10.5 вольт, или повышении до 13.

Самой интересной частью схемы является узел собранный на микросхемах DD1 и DD2. Он собственно и является схемой защиты. Два входа этого узла подключены к компараторам, но для того, чтобы на выводе 8 микросхемы DD1 появился уровень логической 1 и сработала защита должны быть созданы определённые условия. Данный узел интересен ещё и тем, что логическая единица на выходе 8 DD1.1 появится при наличии одинаковых логических состояний на входах, либо два 0 , либо две 1. Если на одном входе будет 1, а на другом 0, то защита не сработает.

Работает схема защиты следующим образом. При нормальном входном напряжении основного источника работает только компаратор DA1.2, так как напряжение выше минимального порога отключения и следовательно открытый выходной транзистора компаратора DA1.2 замыкает выводы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что аналогично состоянию логического 0, а на входах 1 и 2 элемента DD2.3 действует напряжение около 4.5 - 5 вольт, что аналогично состоянию логической 1, так как напряжение не достигает 13 вольт и компаратор DA1.1 не работает. При таком условии защита не сработает. При повышении напряжения основного источника до 13 вольт начинает работать компаратор DA1.1, открывается выходной транзистор и замыкая входы 1 и 2 DD2.3 на массу принудительно создаёт уровень логического 0, тем самым на обоих входах принудительно появляется уровень логического 0 и срабатывает защита. Если напряжение упало ниже минимального порога, то напряжение подводимое к 7-й ноге компаратора падает до уровня ниже 1.65 вольта, выходной транзистор закроется и перестанет замыкать входы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что приведёт к установлению на входах 4 и 5 напряжения 4.5 - 5 вольт(уровень 1). Поскольку DA1.1 уже не работает и DA1.2перестал, то создаётся условие при котором уровень логической единицы появится на обоих входах узла защиты и она сработает. Подробнее работа узла показана в таблице. В таблице показаны логические состояния на всех выводах микросхем.

Таблица логических состояний элементов узла.

Налаживание устройства

Правильно собранное устройство требует минимальной наладки, а именно установки порогов срабатывания защиты. Для этого необходимо вместо основного источника напряжения подключить к устройству регулируемый блок питания и с помощью подстроечных резисторов выставить пороги срабатывания защиты.

Внешний вид устройства

Расположение деталей на плате устройства.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
DD1, DD2	Логическая ИС	К155ЛА3	2	В блокнот
DA1	Компаратор	LM339-N	1	В блокнот
VR1, VR2	Линейный регулятор	LM7805	2	В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ819А	1	В блокнот
Rel 1	Реле	RTE24012	1	В блокнот
R1	Резистор	3.3 кОм	1	В блокнот
R2, R3	Резистор	1 кОм	2

Довольно часто в радиолюбительской практике возникают ситуации, когда требуется, чтобы устройство продолжало стабильно работать даже при отключении основного электропитания. Предлагаю для повторения несколько простых схем, позволяющих переключать нагрузку со штатного на аварийное питание в случае возникновения возможных перебоев в электроснабжении, особенно это актуально для сельской местности.

Устройство собрана на герконовых реле К1 и К2. Когда сетевое напряжение в норме, оба реле срабатывают и нагрузка получает напряжение от штатного сетевого БП. Если же сетевое напряжение исчезнет, через тыловые контакты напряжение от батареи поступит на нагрузку.

Сопротивление R1 ограничивает ток, следующий через обмотки реле. Его сопротивление и мощность рассчитывают исходя из входного напряжения U пит , напряжения срабатывания реле U сраб и от номинала сопротивления обмотки реле R o , а также тока срабатывания реле I сраб . В нашем примере применены герконовые реле типа РЭС55А с напряжением срабатывания 3,75 В. Для более мощной нагрузки необходимо взять герконовые или электромагнитные реле помощнее, контакты которых выдержат необходимый ток, подобрав при этом сопротивление R1.

Мощность этой конструкции ограничена только транзистором Т3, в случае необходимости его можно заменить на более мощный.

При наличии основного напряжения, на базу Т1 через диод VD3 идет напряжение равное величине напряжения источника и транзистор открыт. Через открытый Т1 на базу Т2 идет положительное напряжение от которого он запирается, что в свою очередь приводит к тому, что через него напряжение не идет на Т3, который запирается и напряжение на его эммитере снижается до нуля. Когда же напряжение основного источника исчезает Т1 запирается, отпирается Т2 и через него идет напряжение на базу Т3, который открывшись посылает его через диод в нагрузку. Диоды требуются для того, чтобы исключить взаимодействие основного и резервного ИП между собой.

Эта конструкция может быть применена для автоматического переключения нагрузки между аккумулятором и сетевым адаптером. Микросхема управляет внешним P-канальным MOSFET транзистором, для создания подобия диода Шоттки, работающего как выключатель питания для распределения нагрузки.

Кроме того LT4412 также имеет кучу положительных фишек, таких как защита батареи от переплюсовки, ручное управление, защита затвора в полевом транзисторе и многие другие. Ток потребления схемы около 11 мкA. Диод D1 исключает обратное прохождение тока к сетевому БП, когда нет основного напряжения. Конденсатор С1 - емкость выходного фильтра. Четвертый пин интегральной микросхемы называется выводом состояния.