Схемотехника и ремонт бесперебойного блока питания

Внезапные отключения электроэнергии — не такое уж частое явление, но случаются они, обычно, в тот момент, когда долго вводимые перед этим данные не успели сохранить. Исключить такие ситуации призвано использование UPS (Uninterruptible Power Supply, он же ИБП – Источник Бесперебойного Питания), оберегающего компьютер от потери данных при исчезновении внешнего электроснабжения. Эти в целом надежные приборы иногда выходят из строя, а отремонтировать во многих случаях их можно самостоятельно.

Таблица неисправностей и возможных причин поломки

Самые простые ситуации можно разрешить, не обладая специальными знаниями и навыками и не разбирая ИБП. Эти случаи сведены в таблицу.

Видимое проявление проблемы	Возможная причина	Способ устранения
UPS не включается или работает только от аккумулятора	Неисправен сетевой шнур	Заменить сетевой шнур
	Перегорел плавкий предохранитель или сработало устройство защиты.	Заменить предохранитель или взвести защитное устройство.
	Отсутствует или неисправна батарея	Установить исправную АКБ
При исправной батарее горит сигнал низкого уровня заряда	Сбилась калибровка зарядного контроллера	Восстановить калибровку с помощью ПО от производителя
Нет питания нагрузки при исчезновении напряжения сети (аккумулятор исправен)	Сбой программного обеспечения	Сбросить контроллер кнопкой «Сброс» (если есть) или перепрошить программу
Не заряжается АКБ	Сбой программного обеспечения	Сбросить контроллер кнопкой «Сброс» или перепрошить программу
ИБП отключается, горит значок перегрузки	Излишняя нагрузка	Уменьшить мощность нагрузки или количество потребителей

Не все УПС управляются программно. Недорогие модели собраны на дискретных элементах и микросхемах небольшой степени интеграции. Советы по перезагрузке, перепрошивке или настройке ПО к ним не относятся. Также надо учитывать, что одни и те же неисправности могут быть как при сбое работы ПО, так и при проблемах с «железом», поэтому сброс или перепрошивка – сродни первой медицинской помощи. Может помочь, а может не помочь. В этом случае понадобится глубокая диагностика и ремонт аппаратной части.

Основные виды схем применяемых в ИБП

Если предварительное тестирование проведено, то можно попытаться провести более глубокую диагностику. Даже обладая специальными знаниями, полезным будет изучить общие принципы работы ИБП и принципиальные схемы конкретных приборов.

Для резервирования питания офисной техники применяются несколько типов бесперебойников, различающихся своей схемотехникой. Первый тип – Offline.

Как и у всех УПС, в схеме имеется сетевой фильтр, зарядное устройство и батарея, которая питает преобразователь (инвертор) постоянного напряжения в переменное. В нормальном режиме выход преобразователя к нагрузке не подключен. При исчезновении питающей сети происходит переключение потребителей на питание от инвертора. Основной минус такого подхода – на переключение требуется время. Оно минимально для человеческого восприятия, но для техники может быть слишком большим. Некоторые устройства могут за это время отключиться или потерять данные. Зато эти бесперебойники простые, дешевые, надежные и ремонтопригодные.

ИБП, построенные по схеме Line interactive, работают по сходному принципу, но у них на входе установлен стабилизатор сетевого напряжения. Он построен по принципу переключения отводов первичной обмотки трансформатора. Поэтому при изменениях параметров сети потребители питаются стабильным напряжением, и переключение в автономный режим происходит только тогда, когда входной стабилизатор не может справиться. То есть, гораздо реже.

Самым дорогим, но и оптимальным способом построения резервного источника считается On-line. В этом случае батарея постоянно подзаряжается сетевым напряжением (буферный режим), а потребители постоянно питаются от инвертора стабилизированным напряжением. При исчезновении питания от сети не происходит переключения, бестоковая пауза отсутствует. Такие приборы эффективны, но дороговаты.

Алгоритм ремонта источника бесперебойного питания

Если есть подозрения на выход из строя (потерю емкости) аккумулятора, проверить его можно без разборки прибора. Для этого надо подержать UPS включенным в сеть 220 вольт до заведомо полной зарядки АКБ. Потом к разъему для нагрузки надо подключить лампы накаливания соответствующей мощности (для источника с выходной мощностью 600 ватт потребуется 10 стоваттных ламп) и дождаться появления сигнализации разряда батареи (Low battery level).

Если время полного разряда существенно меньше заявленного в технической документации, значит, пришло время задуматься о скорой замене батареи. Если емкость снизилась до уровня, при котором время резервирования стало неприемлемым, менять аккумулятор придется срочно.

Если предварительные методы диагностики и ремонта результата не дали, можно разобрать UPS и попытаться протестировать более глубоко. Прежде надо здраво оценить свою квалификацию – если она недостаточна, возможно, поход в сервисный центр обойдется дешевле и быстрее.

Если решение починить прибор самостоятельно принято, надо изучить конструкцию корпуса бесперебойника. Некоторые приборы помещены в пластиковый кейс, скрепленный винтами.

Чтобы снять крышку, надо перевернуть УПС и снизу отвернуть четыре винта (самореза). В некоторых устройствах крышка крепится на защелках, которые надо аккуратно оттянуть.

Компоновка обычна для большинства недорогих UPS:

• в верхнем отсеке находится плата с электроникой, на стенку выведены разъемы для слаботочных цепей;
• в нижнем – аккумулятор, силовой трансформатор, на стенку выведены силовые разъемы.

Если тест аккумулятора не проведен до разборки, его можно произвести сейчас, но понадобится набор лампочек на 12 вольт. Надо полностью зарядить АКБ и подключить к нему нагрузку из ламп. Контролируя напряжение на выходе, надо зафиксировать время разряда до 10,5 вольт. Емкость при этом вычисляется по формуле:

С=(P/12)*t, где:

• С – фактическая емкость в ампер-часах;
• P — мощность лампы, Вт;
• 12 – напряжение АКБ, вольт;
• t – время разряда, часов.

Еще лучше замерить ток разряда и подставить его в формулу вместо множителя P/12 в амперах. Решение о замене батареи принимается по тем же критериям, что и при тестировании без разборки.

Надо помнить, что некоторые ИБП вообще не включаются при отсутствии или серьезной неисправности аккумулятора. Поэтому поиск проблемы рекомендуется начать с тестирования АКБ.

Компоновка аппарата APC Back Up 500 выполнена по-другому. Для аккумулятора предусмотрен отдельный отсек, добраться до него можно без разборки, просто отжав защелку крышки.

Входная силовая часть (фильтр и силовой трансформатор) расположены в другом отсеке.

Чтобы до него добраться, надо вывинтить два самореза. Откроется ниша с элементами силовой цепи.

Чтобы добраться до платы с электроникой, надо отжать защелки передней панели.

В приборах других производителей порядок разборки и расположение основных элементов может отличаться. На основании приведенных примеров разобраться не составит труда.

Диагностику прибора начинают с визуального осмотра. Так можно обнаружить:

• отпаявшиеся провода;
• вздувшиеся оксидные конденсаторы;
• отгоревшие дорожки;
• трещины;
• обгоревшие компоненты.

Если элемент обгорел, это не говорит однозначно о нем, как о виновнике неисправности. Проблема может быть в другом компоненте. Но уже так можно локализовать неисправность на участке схемы.

Если невооруженным глазом обнаружить проблему не удалось, надо анализировать схему. Пошаговую инструкцию в этом случае дать невозможно – схемы разнообразны, а потенциальные неисправности еще разнообразнее. Но общий принцип поиска проблемы разобрать вполне реально. Это будет сделано на примере UPS N-Power SVP-625 – в ней применены стандартизированные решения без особенностей. Схема ИБП построена под управлением микроконтроллера MDT10P73.

Рассматривая структурную схему, легко понять, что этот прибор относится к классу Line active. Сетевое напряжение, пройдя через фильтр, поступает на силовую высоковольтную обмотку, которая служит для входа и для выхода – в зависимости от режима. Схема AVR (автоматическая регулировка напряжения) в зависимости от уровня на входе, может подключить дополнительно к основной обмотке (синий и черный провода) регулировочную – провода белый и синий. В зависимости от входного уровня, дополнительная секция подключается к основной то в фазе, то в противофазе, добавляя или уменьшая напряжение на выходе. Коммутация осуществляется с помощью реле RY2 и RY3 (обозначения по принципиальной схеме). Реле RY1 замыкает вход и выход в нормальном режиме работы, при его размыкании потребители запитываются от аккумулятора через инвертор.

Зарядное устройство, построенное по принципу линейного стабилизатора, питается от дополнительной обмотки, от нее же питается схема формирования dead time (клампирование) – она нужна, чтобы исключить сквозной ток через транзисторы инвертора.

Инвертор построен по пушпульной схеме. Ключами служат полевые транзисторы.

Диагностику надо начать с проверки предохранителей FUSE1 и FUSE2. Чаще всего они перегорают из-за выхода из строя транзисторов инвертора Q4..Q7. Обнаружив неисправность плавких вставок надо сразу протестировать и полевые транзисторы.

Дальнейшую диагностику лучше проводить исходя из внешних признаков неисправности. Если при включении ИБП не подает признаков работы (не слышен легкий гул трансформатора, не горят индикаторы) и предохранители исправны, проверяется:

• наличие переменного напряжения на входе (контакты 3 и 4 клеммника CN1);
• при его отсутствии проверяется сетевой шнур и его соединения;
• если напряжение присутствует, проверяется наличие выходного напряжения на клеvмнике CN2 (контакты 1,2);
• если его нет, проверяется исправность контактных групп реле RY1, RY2, RY3 и элементов входного фильтра CX1, MOV1, CY1, Cy2 и выходного фильтра CX2 и R100.

Если не заряжается заведомо исправная батарея и отсутствует индикация VBAT, проверяется:

• наличие переменного напряжения на клеммнике CN1 контакты 3 и 4;
• при его наличии – исправность диодного моста D5..D8;
• если там все в порядке – наличие постоянного напряжения на входе и выходе микросхемы LM317 (U5);
• при отсутствии напряжения на входе проверяется транзистор Q8 схемы CLAMP;
• при отсутствии напряжения на выходе с большой вероятностью неисправна LM317.

Если не происходит стабилизации напряжение при изменениях в сети, надо проверить исправность реле RY2, RY3 и транзисторных ключей Q11, Q12. Если все в порядке, надо проверить исправность датчика входного напряжения (сигнал HOT, операционный усилитель U2 формирует постоянное напряжение, пропорциональное сетевому). Если все в порядке, есть основания думать, что неисправен микроконтроллер.

Если при исчезновении питающей сети напряжение к потребителям не поступает, АКБ и датчик напряжения (тракт HOT-VIN) в порядке, проверяется исправность реле RY1, транзистора Q10 и наличие на затворе ключа сигнала на переключение. Если все в порядке, надо проверять, в порядке ли контроллер. Если переключение происходит, а переключения нет, проверяется:

1. Наличие импульсов на затворах пар Q4Q5 и Q6Q7 (линии PSHPL2 и PSPHL1).
2. Если их нет, проверяется исправность ключей микросхемы U3.
3. Если все в порядке – снова проверяется контроллер.

Также могут быть и другие неисправности — проблемы с датчиком тока, с формированием управляющих сигналов, с питающими напряжениями и многое другое. Все перечислить и предугадать невозможно. Процесс поиска неисправности весьма творческий, и для успеха надо хорошо разобраться в работе схемы.

Найденные компоненты, вышедшие из строя, заменяют. Если это мощные транзисторы, эксплуатирующиеся на радиаторах, их сначала надо установить на теплоотвод на теплопроводящую пасту или упругую подложку, привинтить – а потом припаивать.

Самая сложная проблема – намоточные детали (дроссели, трансформаторы). Перемотка «на коленке» в большинстве случаев не дает надлежащего качества, и срок службы будет недолгим. Здесь поможет наличие прибора-«донора», из которого можно взять недостающие детали. Если неисправен микроконтроллер, новый чип придется запрограммировать. Для этого понадобится собственно программа прошивки, а также программатор с соответствующим ПО.

Для наглядности рекомендуем к просмотру тематические видео.

Если неисправен ИБП другого типа, ремонт начинается с поиска принципиальной схемы и ее изучения до полного понимания принципа действия. А данное руководство в этом поможет.