UPS do automatyki domowej i sprzętu RTV

Nie każdy zdaje sobie z tego sprawę, że wybierając UPS przeznaczony do automatyki domowej i awaryjnego podtrzymywania zasilania sprzęty RTV, musimy zwrócić uwagę na inne parametry niż w wypadku zasilaczy awaryjnych do sprzętu komputerowego. Przyjrzyjmy się zatem, jak kupić UPS-a przeznaczonego do tych, trochę nietypowych zadań.

UPS, to najprościej rzecz ujmując, urządzenie, którego podstawową funkcją jest nieprzerwane zasilanie urządzeń elektronicznych i elektrycznych. W wypadku przerwy w dostawie zasilania, UPS w znaczący sposób zmniejsza ryzyko przerwy w działaniu krytycznych urządzeń, takich jak serwery, komputery czy systemy automatyki domowej, a także eliminuje możliwość uszkodzenia drogiego sprzętu elektronicznego, w tym telewizorów 4K czy wysokiej klasy sprzętu audio, przez nagłą utratę zasilania. Czas podtrzymania napięcia przez UPS-a wynosi zwykle od kilku minut, dla małych zasilaczy awaryjnych, do kilkudziesięciu godzin w wypadku zaawansowanych systemów przemysłowych. Oczywiście, czas ten zależy przede wszystkim od obciążenia UPS-a oraz od pojemności wykorzystanych do jego budowy akumulatorów.

Konstrukcja UPS-u

Każdy, dostępny w sklepach, zasilacz awaryjny wyposażony jest w filtr wstępny, eliminujący zakłócenia pochodzące z sieci energetycznej, oraz przetwornicę AC/DC (prostownik) i DC/AC (falownik). Prostownik ma za zadanie prostować prąd, wykorzystywany do ładowania akumulatorów, a falownik generuje prąd zmienny na podstawie napięcia stałego podawanego przez akumulator. W momencie przerwy w dopływie prądu, obwód elektroniczny UPS-a przełącza zasilanie na pracę akumulatorową. Oczywiście taki opis nie jest pełny, ale za chwilę przejdziemy do jego uzupełnienia i uszczegółowienia.

Najtańszym i najprostszym typem UPS-ów są praktycznie już niespotykane UPS-y typu off-line. Ich możliwości ograniczają się zwykle do filtrowania i korygowania w niewielkim zakresie (±5%) parametrów napięcia zasilającego, gdyż pozbawione są elektronicznego modułu AVR (Automatic Voltage Regulator), o którym za chwilę. Przy zaniku lub przekroczeniu ustalonych progów napięcia – dolnego wynoszącego ok. 175 V i górnego ok. 270 V – uruchamiane jest zasilanie akumulatorowe. Zadziałanie takiego UPS-a następuje po kilku–kilkunastu milisekundach, ale jest to czas w zupełności wystarczający do podtrzymania działania zasilaczy impulsowych, które wytrzymują przerwę w dostawie prądu rzędu 20–60 ms.

Line-interactive czy off-line

Drugą, najliczniejszą grupą zasilaczy, są urządzenia line-interactive. Jest to tak naprawdę zasilacza off-line, w którym elektronika sprawdza dodatkowo częstotliwość napięcia oraz kąt przesunięcia fazowego, co umożliwia szybszą synchronizację falownika z siecią i pozwala na podanie na wyjściu stabilnego napięcia zasilającego. Zasilacze line-interactive wyróżniają się wbudowanym w nie modułem AVR, dzięki któremu potrafią podwyższać lub obniżać napięcie zasilające w zakresie od 140–150 V do ok. 270 V i to bez potrzeby przełączania się na tryb pracy akumulatorowej. Zasilacze te, dzięki synchronizacji falownika, charakteryzują się też bardzo krótkimi czasami przełączenia wynoszącymi zwykle od 2 do 7 ms.

Warto pamiętać, że o ile UPS-y line-interactive nadają się bardzo dobrze do zasilania urządzeń RTV i audio średniej klasy, to ich użycie w systemach automatyki domowej nie jest już takie oczywiste i mocno zależy od wykorzystywanych urządzeń. Wynika to z faktu, że niektóre systemy automatyki domowej, podobnie jak aparatura medyczna, są wyjątkowo czułe na niewielkie, kilkumilisekundowe zaniki zasilania. Pomimo dochodzącego w praktyce do zaledwie 5-7 ms czasu przełączania, automatyka sterująca praca ogrzewania czy kotłów potrafi się w takiej sytuacji po prostu zawiesić.

Ostatnią grupą zasilaczy, są zasilacze on-line. Ich cechą charakterystyczną jest to, że prostownik z falownikiem są ze sobą na stałe „sprzęgnięte” i działają w sposób ciągły. Oznacza to, że podczas normalnej pracy prąd dostarczany do odbiorników nie pochodzi z gniazdka sieciowego, jak w zasilaczach off-line i line-interactive, ale zawsze jest generowany przez falownik UPS-a. Innymi słowy, sprzęt podłączony do zasilacza UPS on-line otrzymuje stabilne napięcie o ustalonych parametrach. Jak można się domyślić, zasilacze on-line cechują się zerowym czasem przełączania. Najnowszą odmianą zasilaczy on-line są zasilacze z konwersją delta, które mają znacznie wyższą sprawność.

Sprzętem tego typu są zasilacze z serii Eaton EX UPS. Zasilacze on-line dedykowane są do bezprzerwowego zasilania serwerów, systemów pamięci masowej, krytycznego sprzętu sieciowego, telefonii VoIP, sprzętu medycznego, automatyki przemysłowej i domowej, zwłaszcza sterującej kotłami grzewczymi.

Moduł AVR

Przejdźmy teraz do modułu automatycznego regulatora napięcia AVR. Jego zadaniem jest regulacja napięcia wejściowego, tak, aby na wyjściu otrzymać napięcie 230V o ustalonych parametrach, niezależnie od tego co dzieje się na wejściu UPS-a. Innymi słowy, zasilacz awaryjny w razie pojawienia się podwyższonego lub obniżonego napięcia może bez przechodzenia w tryb akumulatorowy, stale je korygować, tak aby na wyjściu podać nominalne napięcie zasilające. Warto zauważyć, że moduł AVR nie poprawia kształtu sinusoidy, a jedynie wartość skuteczną napięcia. W pewnym zakresie może jednak regulować częstotliwość wyjściową.

Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na umieszczony z przodu obudowy zasilacza wyświetlacz. Ma on ogromna przewagę nad stosowanymi w tańszych modelach UPS-ów diodami. Najlepsze zasilacze, wyposażone są bowiem w cyfrowe moduły AVR, które informują użytkownika za pomocą wyświetlacza nie tylko o wejściowych oraz wyjściowych napięciach i częstotliwościach, ale również o wyrażonej w watach i woltamperach całkowitej mocy urządzeń podłączonych do zasilacza, wyrażonym w procentach całkowitym obciążeniu, przeciążeniach a także o szacowanym dla danego obciążenia czasie pracy na zasilaniu akumulatorowym czy też o trybie pracy modułu AVR. Tego typu wyświetlaczem dysponują m.in. zasilacze UPS z serii Eaton Ellipse PRO.

UPS do automatyki domowej i sprzętu RTV

Sinusoida

Bardzo istotnym parametrem jest kształt generowanej przez UPS sinusoidy. Kształt sinusoidy zależy od zastosowanego w zasilaczu falownika i im bardziej zbliżony jest do prawdziwej, takiej jak w gniazdku elektrycznym, sinusoidy, tym lepiej. W praktyce, zasilacze awaryjne generują na wyjściu sygnał prostokątny, który w mniejszym lub większym stopniu przypomina sinusoidę. Taki sygnał jest wystarczający dla impulsowego zasilacza komputera, ale już nie koniecznie dla automatyki domowej czy drogiego sprzętu RTV i audio.

Warto pamiętać, że w niższej klasy zasilaczach najczęściej do czynienia mamy z tzw. falą schodkową lub sinusoidą zmodyfikowaną czyli poprawioną wersją przebiegu prostokątnego – tego typu UPS-y nie nadają się absolutnie do zasilania automatyki domowej i sprzętu RTV . Lepsze zasilacze mają tzw. sinusoidę schodkowa lub sinusoidę aproksymowaną, czyli przebieg zbliżony już dość dobrze do sinusoidy. Tego typu przebiegi są już akceptowane przez większość sprzętu RTV, takiego jak średniej klasy telewizory LCD czy wieże audio. Najlepsze UPS-y mają na wyjściu prawdziwą sinusoidę nazywaną też czystą lub pełną sinusoidą, a więc po prostu przebieg sinusoidalny, jak w gniazdku elektrycznym. Jest to jedyny akceptowalny wybór do zasilania awaryjnego sprzętu audio wysokiej klasy (tzw. sprzętu audiofilskiego), drogich telewizorów i automatyki domowej.

Dobór mocy

Podstawowym parametrem technicznym, którym cechują się UPS-y jest ich moc wyjściowa, która określa jak duże obciążenie można podłączyć do danego zasilacza awaryjnego. Na początku należy zatem zsumować moc znamionową (podaną w instrukcji lub na tabliczkach znamionowych) wszystkich urządzeń podłączanych do zasilacza awaryjnego. Jeżeli zasilacz podaną ma jedynie maksymalną moc wyrażoną w woltamperach (co zdarza się obecnie już bardzo rzadko), wówczas samy musimy ją obliczyć. W tym celu otrzymaną sumę w watach mnożymy przez 1,4 czyli odwrotność współczynnika mocy wynoszącego 0,7. Do uzyskanej wartości, niezależnie od tego czy wyrażona jest w watach czy w woltamperach, dodajemy ok. 20% zapasu (czyli mnożymy ją przez 1,2), a w wypadku automatyki domowej o 30–40%. Dla pomp obiegu wodnego warto tę wartość podnieść nawet o 70-80%.

Obliczona w ten sposób minimalna moc zasilacza awaryjnego zagwarantuje nam podtrzymanie napięcia przez około 5–10 minut, co w zupełności wystarczy do wyłączenia podłączonych do UPS-a urządzeń. Zwiększenie mocy, jaką może dostarczyć UPS, wydłuża zaś czas pracy chronionych urządzeń na zasilaniu awaryjnym. W wypadku automatyki do pieców, w tym pomp obiegu wody, która w razie awarii zasilania, musi pracować przez kilka-kilkanaście godzin UPS o mocy 1500 VA (np. Eaton 9SX1500I) wydaje się niezbędnym minimum. Współczesne UPS-u z elektronicznym sterowaniem i wyświetlaczem LCD bardzo dobrze szacują czas pracy na zasilaniu akumulatorowym przy danym obciążeniu. Zwracajmy więc uwagę, na to o czym informuje nas zasilacz awaryjny.

UPS do automatyki domowej i sprzętu RTV

Jedną z ciekawszych serii zasilaczy doskonale wpisujących się w ideę cyfrowego, inteligentnego domu są wspomniane przed chwilą modele z rodziny 9SX, która obejmuje dziewięć modeli on-line (w tym pięć w wykonaniu Tower i cztery w wersji rack) o mocach od 0,7 do 3 kVA, a wiec praktycznie całe spektrum zastosowań wymaganych w steriwaniu inteligentnym domem. Dla przykładu, testowany przez nas najmniejszy z tej serii UPS-ów, o mocy 700 VA, model 9SX700I, jest przy 70% obciążeniu przez 11 minut i 14 sekund, a przy pełnym obciążeniu aż 7 minut i 17 sekund, co świadczy o jego serwerowym pochodzeniu.

Co ciekawe, sześć gniazd podtrzymujących podzielono na dwa bloki, po trzy gniazda, których zasilanie można włączyć lub wyłączyć z poziomu panelu sterowania lub oprogramowania. Takie rozwiązanie, pozwalające zarządzać gniazdami wyjściowymi spotykane jest zwykle w duo droższych , stosowanych w centrach danych modelach. Podświetlany, graficzny wyświetlacz LCD pozwala sprawować pełną kontrolę nad urządzeniami z serii 9SX firmy Eaton. Użytkownik ma pełne, szczegółowe informacje na temat parametrów pracy zasilacza oraz jego obciążenia. Podawane są wartości wejściowe i wyjściowe napięć, częstotliwości i dane o całkowitym wyrażonym w procentach, watach i woltamperów obciążeniu. Istnieje też możliwość zablokowania wyświetlacza przed niepowołanymi osobami czterocyfrowym kodem. W tym miejscu warto wspomnieć, że w ramach rodziny 9SX, dostępne są też większe modele o mocach od 5 do 11 kVA, które świetnie się sprawdzą nie tylko w inteligentnym domu, ale również w małej firmie produkcyjnej korzystającej z urządzeń automatyki przemysłowej.

UPS do automatyki domowej i sprzętu RTV

O czym pamiętać, czyli podsumowanie

Wybierając zasilacz awaryjny do systemów automatyki domowej, powinniśmy ograniczyć wybór do modeli on-line z pełną sinusoidą. Co ważne, urządzenie powinno charakteryzować się mocą o wartości minimum 1500VA. Również tego typu zasilacz, ale może być o mniejszej mocy, powinien służyć do podtrzymywania napięcia w wysokiej, audiofilskiej klasy urządzeniach audio. Wynika to stąd, że każde zakłócenie zasilania, a więc również nie pełna sinusoida, zniekształca generowany przez ten sprzęt dźwięk, co jest nie do przyjęcia przez wymagających , cyzelujących każdą nutę słuchaczy.

Dla standardowego sprzętu RTV wystarczy zasilacz typu line-interactive, z tym że im lepszą generuje na wyjściu sinusoidę tym lepiej. Zasilacze do podtrzymywania sprzętu audio nie muszą być mocne, gdyż współczesny sprzęt RTV nie pobiera dużo prądu. Można też zastanowić się nad modelami UPS-ów dysponującymi nie tylko gniazdami z pełnym podtrzymaniem napięcia, ale z kilkoma gniazdami filtrowanymi. Do nich możemy bowiem podłączyć czuły na zakłócenia z sieci elektrycznej sprzęt elektroniczny (prąd zostanie przefiltrowany), którego nie musimy jednak zabezpieczać przed zanikiem napięcia. Szereg tego typu, a także innych zasilaczy UPS znajdziemy w ofercie firmy Eaton.

Marcin Bieńkowski