Waty na raty

Jak wynika ze statystyk, ponad połowa zawieszeń systemu i innych awarii komputerów nie jest konsekwencją błędów oprogramowania, a Windows w szczególności, lecz przerw lub innych zakłóceń zasilania energią elektryczną.

Jak wynika ze statystyk, ponad połowa zawieszeń systemu i innych awarii komputerów nie jest konsekwencją błędów oprogramowania, a Windows w szczególności, lecz przerw lub innych zakłóceń zasilania energią elektryczną.

Najprostszym, ale i najmniej skutecznym lekarstwem jest filtrowanie. Odpowiednie układy montuje się wewnątrz popularnych listew zasilających. Niestety, tak proste urządzenie nie pomoże podczas poważniejszych defektów: spadków i zaników napięcia. Potrzebna jest wtedy większa korekta, a nawet całkowite odcięcie się od źródeł zewnętrznych i wykorzystanie energii zmagazynowanej w bateriach. Takie zadania wykonują zasilacze awaryjne, zwane też bezprzerwowymi albo z angielska UPS-ami (Uninterruptible Power Supply).

Udany kompromis

Niezależnie od szczegółów konstrukcyjnych i topologii wewnętrznych połączeń zasilacz UPS jest zawsze wyposażony w układy filtrujące, baterię akumulatorów, prostownik do ich ładowania i falownik, do przekształcania zgromadzonej w urządzeniu energii na prąd zmienny. Wśród wielu rozmaitych konstrukcji największą popularnością cieszą się zasilacze interaktywne. Dawniej równo dzieliły się rynkiem z tańszymi "offline'ami" i najdroższymi typu "online". Te ostatnie oferują zasilanie energią pobieraną wyłącznie z baterii, w której braki uzupełnia osobny, odseparowany elektrycznie układ do jej ładowania. Oddzielenie generatora prądu zmiennego, tzw. falownika, od źródeł zewnętrznych gwarantuje mu niespotykany komfort pracy. Szumy, odkształcenia harmoniczne, wahania częstotliwości i inne zmienne przebiegi nie przedostają się przez barierę złożoną z prostownika i akumulatora. Jednak z powodu ciągłej zamiany prądu zmiennego na stały i z powrotem sprawność zasilacza "online" nie jest imponująca. Ocenia się, że około 20 procent energii zamienia się w ciepło. Ustawicznie obciążona bateria szybko się zużywa i musi być często wymieniana. To są wysokie koszty braku przełączania między różnymi źródłami energii, charakterystyczne dla zasilaczy pozostałych rodzajów.

Opłacalność

Opłacalność

Zasilacz "offline" działa jak poprzedni w momencie stwierdzenia wad prądu i łączy wprost wejście z wyjściem, kiedy defekt ustąpi. Problemem staje się przełączanie z jednego źródła na drugie, wywołane samą naturą prądu zmiennego. Niedopasowanie fazowe może powodować gwałtowne skoki napięcia. Aby je zmniejszyć, przełączanie, a za tym także przerwy w ciągłości zasilania, trwające stosunkowo długo. Radzą sobie z tym komputerowe zasilacze impulsowe, które w zależności od pojemności użytych kondensatorów mogą się obyć bez prądu od 20 do 50 ms. Przełączanie UPS-u trwa dwukrotnie szybciej. Pozornie nie ma problemu, ale...

Interaktywnie

Dziś praktycznie zasilacze typu off line zostały wyparte przez urządzenia o topologii interaktywnej. Okazały się niemal równie tanie, a znacznie bardziej funkcjonalne. W tym wypadku interaktywność polega na śledzeniu fazy napięcia zasilającego po to, żeby w momencie przejścia na pracę bateryjną od razu dostarczyć napięcie chwilowe w zbliżonej wysokości. W praktyce nie udaje się przełączyć natychmiastowo, w najlepszych modelach przerwę skrócono do jednej - dwóch ms. To piszą w instrukcjach, ale rzeczywiste przełączanie może trwać dłużej i składać się z dwóch etapów. W pierwszym, który nie trwa dłużej niż jeden okres sinusoidy, najważniejsze jest dopasowanie fazy, w drugim, dłuższym, robi się porządek z amplitudą. Szczegóły obu przebiegów w momencie przełączania widać na rysunku.

Ocena końcowa

Ocena końcowa

Konstrukcje interaktywne ujawniły jeszcze jedną zaletę. Są wyposażone w autotransformator obniżający napięcie wejściowe przed wyprostowaniem i jednocześnie będący częścią falownika podczas wytwarzania prądu z baterii. Dodając do jego zwojów kilka wyprowadzeń, łatwo uzyskać układ transformujący napięcie w granicach kilkunastu procent, a łącząc odpowiednie wyprowadzenia, można korygować napięcie bez przełączania zasilacza w tryb bateryjny. W ten sposób działa AVR, układ stabilizacji napięcia. Oszczędza się baterie i poprawia sprawność korekcji napięcia. Sprawność pracy z wykorzystaniem AVR ocenia się na 96 procent, a z układem bateryjnym na 80 procent. To jest dodatkowa korzyść uzyskana w konstrukcjach interaktywnych praktycznie bezpłatnie i powód znikania z rynku konstrukcji offline.

Ochrona za grosik

Moment przejścia z zasilania sieciowego na bateryjne. Widać, jak przebieg rzeczywisty (ciemniejsza linia) w kolejnych cyklach zbliża się do teoretycznego (jaśniejsza). Za koniec czasu przełączania uznaliśmy moment, w którym kształt napięcia zaczynał przypominać ten z późniejszych cykli. Widoczne niewielkie przesunięcie fazowe w jednej części ma swoją przyczynę w zakłóconej sinusoidzie z czasu zasilania sieciowego, w drugiej w zagubieniu interakcji przez sam zasilacz.

Moment przejścia z zasilania sieciowego na bateryjne. Widać, jak przebieg rzeczywisty (ciemniejsza linia) w kolejnych cyklach zbliża się do teoretycznego (jaśniejsza). Za koniec czasu przełączania uznaliśmy moment, w którym kształt napięcia zaczynał przypominać ten z późniejszych cykli. Widoczne niewielkie przesunięcie fazowe w jednej części ma swoją przyczynę w zakłóconej sinusoidzie z czasu zasilania sieciowego, w drugiej w zagubieniu interakcji przez sam zasilacz.

Zasilacze w kolejnych topologiach, poczynając od najprostszego, chronią przed coraz większą liczbą zagrożeń. Użyteczną, chociaż niezupełnie ścisłą klasyfikację opracowała firma Powerware. Konstrukcje najprostsze chronią przed trzema, interaktywne przed pięcioma, a typu online przed dziewięcioma rodzajami zakłóceń. W pierwszej grupie są zaniki napięcia, chwilowe wahania amplitudy i udary napięciowe. W kolejnej dochodzi długotrwałe podwyższenie i obniżenie napięcia. Ten dodatek jest raczej związany z AVR niż topologią zasilacza. W grupie najdroższej zapobiega się jeszcze przepięciom łączeniowym, szumom, wahaniom częstotliwości i odkształceniom harmonicznym. Na podstawie tej listy wymagań odbiornika i jakości okolicznej sieci łatwo określić, jaki rodzaj zasilacza najlepiej spełni swoje zadanie.

Wydawać by się mogło, że prąd wytworzony w luksusowych warunkach, z prądu stałego dostarczonego z baterii, powinien być jak najwyższej jakości. Podłączając wyjście jednego zasilacza do wejścia drugiego, łatwo się przekonać, że jest inaczej. Po wyjęciu wtyczki z kontaktu często okazuje się, że chociaż drugie urządzenie otrzymuje prąd z pierwszego, pobiera energię z własnej baterii. Jego układy sterowania stwierdzają niską jakość otrzymywanego prądu. Jak z tego wynika, wiele modeli zasilaczy produkuje napięcie w takim kształcie, który klasyfikuje jako "niedobry". Z tego samego powodu nie należy z takich zasilaczy pobierać energii przez listwę filtrującą.

Niezwykłe kształty

Charakterystyka napięciowa typowego zasilacza interaktywnego. Na osi poziomej napięcie wejściowe, pionowej - wyjściowe. Na obu krańcach (linie poziome) mamy tryb bateryjny, z którym sąsiaduje z lewej powiększający, z prawej pomniejszający napięcie stopień AVR. Część środkowa ilustruje stan przekazywania napięcia wejściowego bez zmian.

Charakterystyka napięciowa typowego zasilacza interaktywnego. Na osi poziomej napięcie wejściowe, pionowej - wyjściowe. Na obu krańcach (linie poziome) mamy tryb bateryjny, z którym sąsiaduje z lewej powiększający, z prawej pomniejszający napięcie stopień AVR. Część środkowa ilustruje stan przekazywania napięcia wejściowego bez zmian.

Ogromna tolerancja zasilaczy komputerowych stwarza pokusę oszczędzania na falownikach. Prostsze wytwarzają napięcie w kształcie określanym jako quasi-sinusoidalny. W tym połączeniu zdecydowanie silniejszy akcent należy położyć na część "quasi", gdyż prymitywne falowniki wytwarzają równie proste przebiegi. Zazwyczaj jest to fala naprzemiennych dodatnich i ujemnych impulsów prostokątnych, uzupełnionych tak dobraną chwilą przerwy, aby wartości szczytowe i skuteczne pozostawały do siebie w takim samym stosunku, jak w "prawdziwej" sinusoidzie. Od dawna wiadomo, że takie impulsy generują fale o różnej częstotliwości. Dla filtrów i układów sterujących zasilacza jest to prąd pełen zakłóceń, "brudny", nienadający się do skierowania bezpośrednio do gniazdek wyjściowych. Z przeglądu przebiegów sztucznie wytwarzanego napięcia zarejestrowanych na oscyloskopie i dołączonych do tabeli wyników testu wynikają jeszcze bardziej niepokojące wnioski. Części prostokątne ulegają zniekształceniom, poziomy zerowe wędrują po skali. Dodatkowe niewielkie maksima oszukują częstotliwościomierze i układy oparte na tej wielkości. Niżej pokazujemy, że nawet przebieg sinusoidalny może pod wpływem obciążenia zmienić kształt i z postaci przepuszczanej przez filtry przekształcić się w częściowo zatrzymywaną.

Parametry techniczne i wyniki testów

Parametry techniczne i wyniki testów

Z zupełnie innych powodów nie powinno się z UPS-ów zasilać drukarek laserowych. W krytycznym momencie spiekania toneru z papierem drukarki pobierają tak dużo prądu, że przystosowanie falowników zasilaczy do takich obciążeń, chociaż możliwe, w porównaniu z niewielką szkodą, jaką spowoduje przerwanie wydruku, jest nieopłacalne. W najnowszych drukarkach utrwalanie jest już mniej energochłonne, ale jeszcze nie na tyle, żeby warto było je zabezpieczać przed zanikiem napięcia. Co innego filtrowanie. Wiele modeli zasilaczy ma dodatkowy tor, w którym między wejściem a wyjściem są tylko filtry. Takie gniazdka nie chronią przed zanikiem prądu. Co ciekawe, niektóre sterowniki laserówek dostosowane są do takiej ewentualności i po wznowieniu zasilania automatycznie powtarzają przerwany wydruk. Koniecznym uzupełnieniem wyposażenia zasilacza są filtry. Jedne zatrzymują zakłócenia elektromagnetycze przenoszące się z innych obwodów lub wyłapywane z eteru przez przewody działające jak antena. Inne unieszkodliwiają przepięcia, napięcie szpilkowe, zakłócenia powodowane przez silniki elektryczne, klimatyzację i tym podobne maszynerie. Do tego celu używa się tłumików warystorowych. Jeżeli zasilacz nie ma kompletu filtrów, można uzupełnić ten brak, podłączając listwę filtrującą, ale tylko po tej stronie, z której do urządzenia dociera prąd.


Zobacz również