Бесперебойные источники питания

Несмотря на наличие многочисленных дешевых способов обеспечения защиты РС от проблем сетевого питания, ни один из них не является столь надежным как хороший бесперебойный источник питания - БИП, или источник бесперебойного питания - ИБП (Uninterruptible Power Supply - UPS). Собственно, это название объясняет основные функции этого устройства. В дополнение к фильтрации и улучшению формы сетевого напряжения, специальные схемы и батареи позволяют предотвратить выключение РС при аварийном отключении напряжения электросети (blackout) или провале напряжения электросети (brownout), вызванного, например, включением мощного устройства. Главное назначение БИП - обеспечить резервное питание.

Ранее считавшиеся непозволительной роскошью, сейчас БИП стали довольно дешевыми. Любой пользователь, который применяет РС для серьезной работы, должен подумать о необходимости приобретения БИП. Он может оправдать себя практически при первом аварийном отключении напряжения электросети.

Предупреждение: Нельзя вставлять сетевой фильтр, или ограничитель перенапряжения (surge suppressor) в выходные разъемы БИП. Сетевой фильтр не нужен и БИП не рассчитан на такое включение. Отступление от этого правила может привести к серьезным последствиям.

Обзор бесперебойных источников питания

До подробного рассмотрения работы БИП целесообразно остановиться на общих принципах работы этих устройств. Основное назначение БИП - обеспечить бесперебойное (буквально непрерываемое - uninterruptible) электропитание защищаемого им оборудования. Как это делается? Электрический прибор, шнур которого вставлен в розетку электросети, имеет только один источник питания. При аварийном отключении прибор сразу же выключается. С другой стороны, БИП предоставляет прибору два источника питания: обычно используется первичный источник питания - электросеть, а при его отключении питание обеспечивает вторичный источник питания - батарея (ее точнее называть аккумулятором, но, следуя традиции, мы будем пользоваться термином батарея). Для управления используемым источником питания предусмотрен коммутатор (switch). Когда первичный источник отключается, коммутатор переключает питание на вторичный источник питания. Если же первичный источник восстанавливается, коммутатор переключается на подачу питания от него.

Оказывается, электросеть не всегда является первичным источником питания, а батарея вторичным. Какой источник питания является первичным, а какой вторичным, определяется типом БИП.

Конечно, от розетки электросети подается переменный ток, а батарея отдает постоянный ток. Поэтому во всех БИП имеются схемы для преобразования переменного тока в постоянный для заряда батареи. Кроме того, имеется схема инвертора (inverter) для преобразования постоянного тока батареи в переменный, необходимый для питания РС. Далее подробно рассматриваются все компоненты БИП.

Выпускается много БИП с различными емкостью и другими характеристиками. Емкость БИП определяется, в основном, емкостью батареи; чем больше батарея, тем дольше РС сможет работать от нее до выключения. Большие по емкости БИП не только дольше питают РС, но и обеспечивают большую мощность. Различные БИП имеют и разные дополнительные возможности, включая предупреждающие сигналы, управляющую программу РС и схемы формирования для источника переменного тока. Большинство новых БИП выключают РС при выходе из строя обоих источников питания, чтобы избежать проблем с операционной системой.

Типы бесперебойных источников питания

Большинство пользователей полагают, что название бесперебойный источник питания подразумевает прибор одного типа. Однако имеется несколько основных конфигураций БИП, используемых в их многочисленных моделях. К сожалению, часто разнотипные БИП называются одним и тем же общим именем.

В этом разделе рассмотрены различные типы БИП, основные принципы их построения, а также произведено сравнение разнотипных БИП.

Примечание: В дополнение к рассмотренным здесь типам БИП имеется несколько экзотических типов БИП, некоторые из которых являются гибридными. Эти типы БИП здесь не обсуждаются.

Резервный БИП, или резервный блок питания

Резервный БИП (standby UPS) представляет собой простейший и самый дешевый тип БИП. Фактически некоторые пользователи не считают резервный БИП собственно БИПом, а называют его резервным блоком питания (Standby Power Supply - SPS). Однако многие из наиболее распространенных дешевых устройств, маркированных как БИП, относятся к рассматриваемому типу.

Иногда их называют офлайновыми БИП (offline UPS), чтобы отличить их от онлайновых БИП (online UPS).

В этом типе БИП первичным источником является розетка электросети, а вторичным источником питания - батарея. Он называется резервным БИП потому, что батарея и инвертор при нормальной работе не подают питание на РС. Зарядное устройство (battery charger) использует энергию электросети для заряда батареи, а батарея и инвертор ожидают "в резерве" до тех пор, пока не потребуются. Когда напряжение электросети пропадает, коммутатор переключает питание РС на вторичный источник питания. При восстановлении электросети БИП переходит в резервный режим.

Хотя это и наименее рекомендуемый тип БИП, он подходит для большинства пользователей. Ведь если бы резервные БИП не работали, они бы и не продавались. Однако для ответственных РС, например серверов, резервные БИП обычно не применяются. Проблема с резервным БИП заключается в том, что переключение на батарею происходит очень быстро, но не мгновенно. Имеется задержка в доли секунды при переключении, которая называется временем переключения (switch time), или временем перехода (transfer time). Возможно, хотя это и случается редко, что БИП не переключится так быстро, чтобы блок питания РС работал без прерывания. Разумеется, на практике такая ситуация возникает исключительно редко, иначе никто бы не покупал резервные БИП. Однако необходимо сравнить время перехода БИП с временем удержания (hold или holdup time) блока питания РС, которое показывает, какое время блок питания РС может работать до прерывания при отключении входного напряжения. Если время перехода значительно больше времени удержания, БИП вполне пригоден. Обычно мощность резервных БИП составляет до 1000 вольт-ампер.

Предупреждение: При использовании резервного БИП сетевой фильтр и ограничитель перенапряжения должны быть включены так, как показано ранее на рисунке (т.е. они должны действовать при обычном питании от электросети).

Феррорезонансный резервный БИП

Феррорезонансный резервный БИП представляет собой улучшенный вариант резервного БИП. Как и в резервном БИП, первичным источником питания служит розетка электросети, а вторичным источником питания батарея. Батарея и инвертор по-прежнему ожидают "в резерве" до тех пор, пока не потребуются. Основное отличие состоит в том, что коммутатор резервного БИП, который выбирает между источниками питания, заменен на феррорезонансный трансформатор.

Трансформатор обычно применяется для преобразования уровней напряжения переменного тока. Вместе с тем трансформатор обладает фильтрующими возможностями, поэтому в БИП он выполняет роль сетевого фильтра.

Трансформатор в этом типе БИП имеет три обмотки, как показано на рисунке. Две обмотки являются входными от первичного и вторичного источников питания, а третья является выходной. Это позволяет трансформатору самому действовать как разновидность коммутатора, так как на выход передается энергия работающего источника (коммутатор перехода на рисунке просто изолирует соединение электросети, когда ее напряжение отсутствует). Поскольку сердечник феррорезонансного трансформатора запасает энергию в магнитном поле, он действует как буфер, когда первичная электросеть отключается и необходимо переключиться на вторичный источник питания, т.е. батарею. Доли секунды на выход подается энергия самого трансформатора. Эта запасенная энергия значительно уменьшает воздействие на РС при переходе с первичного источника напряжения на вторичный.

Мощность феррорезонансных резервных БИП доходит до 15 000 вольт-ампер, что позволяет применять их даже в больших серверах. Такие БИП пока выпускаются, но считаются малоэффективными, поэтому сейчас на мощность 1000 вольт-ампер и выше преобладают онлайновые БИП (online UPS).

Интерактивные БИП

Интерактивные БИП (line-interactive UPS) совершенно отличаются от любого типа резервных БИП. В этом устройстве отдельные зарядное устройство, инвертор и схема выбора источника питания заменяются блоком инвертора/конвертора (inverter/converter), который заряжают батарею и преобразует энергию в переменный ток, необходимый на выходе. По-прежнему первичным источником питания служит розетка электросети, а вторичным - батарея. Когда имеется напряжение электросети, инвертор/конвертор заряжает батарею, а когда сетевое напряжение исчезает, он работает в обратном направлении.

Основное достоинство этой схемы состоит в том, что инвертор/конвертор всегда подключен к выходу, обеспечивая питание РС. При этом обеспечивается более быстрая реакция на отключение электросети, чем в резервном БИП. Кроме того, в блоке инвертора/конвертора обычно имеются схемы для фильтрации помех и выбросов, а также стабилизации выходного напряжения, что обеспечивает дополнительную мощность при провалах и сглаживание скачков напряжения электросети.

Интерактивные БИП мощность до 3000 вольт-ампер широко применяются для домашних и офисных РС. Они превосходят резервные БИП, но все же имеют определенное время перехода и поэтому не обеспечивают столь хорошей защиты РС как онлайновые БИП.

Онлайновые БИП

Онлайновый БИП (online UPS), иногда называемый "настоящим" БИП (true UPS) считается наиболее совершенным. Как это ни парадоксально звучит, но онлайновый БИП и очень похож и совершенно не похож на самый дешевый резервный БИП. Похож он тем, что имеет те же два источника питания и коммутатор, выбирающий один из них. Противоположен он тем, что источники реверсированы: в онлайновом БИП первичным источником выступает батарея, а вторичным - электросеть.

Это, на первый взгляд, незначительное изменение на самом деле оказывается очень важным. В обычных условиях онлайновый БИП всегда работает от батареи, используя инвертор, а напряжение электросети подается на зарядное устройство батареи. В силу этого данный тип БИП иногда называется БИП с двойным преобразованием (double-conversion UPS). Здесь при отключении напряжения электросети нет времени перехода, инвертор (и его нагрузка) работают обычным образом и отключается только устройство заряда батареи. РС с таким БИП работает обычным образом без прерывания и только батарея начинает разряжаться, так как напряжение электросети для ее заряда отсутствует.

А зачем потребовался второй тракт питания (он показан на рисунке пунктиром), если РС всегда работает от батареи? Оказывается, этот тракт обеспечивает резерв на случай отказа инвертора или появления какой-либо внутренней неисправности. Такая ситуация, хотя и редко, может возникнуть и в этом случае БИП переключается на отфильтрованное напряжение электросети. В этой ситуации приходится учитывать время перехода, как и в резервном БИП. Но, разумеется, нарушения электросети возникают намного чаще отказов инвертора.

Имеется и еще одно важное достоинство питания РС от батареи: двойное преобразование полностью изолирует выходную мощность от входной. Все неприятности, "появляющиеся" из розетки электросети, воздействуют только на зарядное устройство батареи, а не на выходную нагрузку.

При рассмотрении блок-схем устройств может показаться, что онлайновый БИП и резервный БИП содержат одни и те же внутренние компоненты, но это не так. Имеется огромная разница в проектировании схем зарядных устройств и инверторов, которые обычно ничего не делают и включаются, например, раз в месяц на несколько минут, и аналогичных схем, которые должны работать по 24 часа в сутки. В результате компоненты и сами онлайновые БИП намного дороже резервных БИП. Обычно они применяются для больших серверов и резервирования оборудования в центрах обработки данных. Мощность онлайновых БИП составляет от 5000 вольт-ампер до сотен тысяч вольт-ампер и даже больше.

Кроме стоимости, еще одним недостатком онлайнового БИП считается его неэффективность. Вся подаваемая в нагрузку мощность преобразуется из переменного тока в постоянный, а затем вновь в переменный, а при этом часть мощности теряется. Более того, потери происходят все время, а не только при неисправности электросети. Для преодоления этого недостатка был разработан новый тип БИП, называемый онлайновый БИП с дельта-преобразованием (delta-conversion online UPS). Термин "дельта" часто обозначает разность (приращение) между двумя величинами. В данном БИП зарядное устройство батареи заменяется на дельта-конвертор (delta converter). Вместо подачи в нормальных условиях всего выхода от батареи часть его подается дельта-конвертором от входной электросети. В случае неисправности электросети дельта-конвертор прекращает работу и устройство функционирует как обычный онлайновый БИП с двойным преобразованием, так как инвертор продолжает работать от батареи все время.

Эти новые БИП пока выпускаются на значительную мощность - свыше 5000 вольт-ампер. В мощных устройствах обеспечивается значительная экономия мощности.

Самодельное резервное питание

Промышленные БИП вполне подходят для большинства пользователей, которым нужны средства защиты РС. Однако емкость таких устройств довольно ограничена: большинство БИП поддерживают работу системы не более часа. Часто это вполне достаточно: хотя и неудобно не работать на РС во время продолжительного отключения электросети, все же БИП обеспечивает защиту от аварийного отключения, способного вызвать потерю данных. БИП предоставляет время для упорядоченного выключения РС. А как быть, если требуется долго работать на РС при отключении напряжения электросети?

В этом случае приходится либо приобретать промышленный БИП намного большей емкости, чем требуется для простого упорядоченного выключения РС, либо собрать самодельный БИП. Для этого нужно приобрести компоненты БИП и подготовить их для работы. Обычно для этого потребуется ручное переключение на резервную систему питания, поэтому здесь не обеспечивается защита от аварийных отключений. После того, как РС при аварии упорядоченно выключен с помощью небольшого промышленного БИП, приходится использовать более мощный самодельный БИП. Основными компонентами являются зарядное устройство, батареи и инвертор. Стоимость отдельных батарей большой емкости намного ниже стоимости мощных БИП. Можно приобрести зарядное устройство, которое работает от электросети или солнечных батарей. Характеристики инвертора должны соответствовать параметрам РС.

На случай необходимости работы на компьютере при продолжительном отключении напряжения электросети можно подумать о приобретении генератора. Второй вариант заключается в приобретении лаптопа. Лаптопы потребляют намного меньшую мощность, чем настольные РС. Многие лаптопы поставляются с адаптером, который позволяет им работать от прикуривателя автомобиля.

Компоненты бесперебойного источника питания

В этом разделе рассмотрены блоки и компоненты типичного небольшого БИП. Большие БИП намного сложнее (есть огромные БИП, которые обеспечивают резервное питание для всей компании) и, в общем, материал по ним не представляет интереса для обычного пользователя РС.

Предупреждение: Так как в БИП имеется батарея, он может формировать переменный ток на выходе даже при отключении от электросети. Не открывайте БИП, а при необходимости открыть его сразу же отсоедините батарею. Обязательно прочитайте руководство пользователя.

Схемы преобразования и инверсии

Во всех БИП есть схемы преобразования переменного тока электросети в постоянный ток для батареи, а также обратного преобразования для подачи на РС. Параметры этих схем зависят от типа БИП, а точнее - от компании-производителя и модели. Обычно, но не всегда, лучшее качество означает более высокую стоимость.

Для управления в большинстве современных БИП применяются микропроцессоры. На них возложены такие функции, как обнаружение неисправностей электросети, переключение между источниками питания, контроль состояния батареи, управление индикаторами состояния и др. Пользователи очень редко вникают в тонкости внутренних схем БИП, так как при выходе его из строя необходимо вызывать обслуживающий персонал или заменять БИП. В большинстве БИП предусматривается доступ пользователя только к батарее.

Батарея

После внутренних схем следующим важным компонентом БИП является батарея, в которой содержится энергия для питания РС. Именно емкость батареи определяет емкость всего БИП. Емкость батареи пропорциональна объему энергии, которая запасается в БИП, и определяет временной интервал работы БИП при заданной нагрузке.

Много лет в БИП применялись такие же свинцово-кислотные батареи на 12 В, как в автомобилях. Однако в батареях, предназначенных для БИП, предусмотрены специальные меры предосторожности, исключающие вытекание кислоты, в частности они герметичны и не требуют долива кислоты. Конечно, стоимость таких батарей в 2 - 3 раза выше стоимости обычных автомобильных батарей аналогичной емкости.

Для всех батарей указываются их номинальное напряжение в вольтах и емкость в ампер-часах. Например, батарея на 12 В и 17 А-ч теоретически должна поддерживать нагрузку 17 А в течение 1 часа или нагрузку в 1 А в течение 17 часов. Однако на практике емкость батареи зависит от потребляемого тока, поэтому указание конкретной емкости в А-ч подразумевает измерение с конкретной скоростью разряда (discharge rate). Батарея, имеющая емкость 20 А-ч, если она разряжается со скоростью 1 А в час, может иметь емкость всего 18 А-ч при разряде со скоростью 5 А в час. Таким образом, батарея может поддерживать нагрузку 1 А в течение 20 часов, а нагрузку 5 А только в течение 3.6 часов. Это обстоятельство оказывает сильное влияние на время работы (run time) БИП.

Поскольку работа батарей основана на химических реакциях, любая батарея когда-то выйдет из строя. Многие высококачественные БИП могут предвидеть эту ситуацию, анализируя напряжение батареи при заряде. Другие БИП регистрируют ее с помощью самоконтроля. Со временем напряжение полностью заряженной батареи будет понижаться, а емкость уменьшаться, что ухудшает защиту РС. К счастью, в большинстве новых БИП предусмотрена замена батареи пользователем. Простая процедура замены подробно описана в руководстве пользователя, а заменяющие батареи можно приобрести.

Некоторые БИП имеют расширяемый блок батарей, что удобно при увеличении нагрузки РС. Можно подключить дополнительные батареи с помощью специального разъема на БИП и пакета, предлагаемого производителем.

Срок службы батареи зависит от ее правильной эксплуатации. Свинцово-кислотные батареи должны поддерживаться заряженными все время. При обычной работе БИП батарею поддерживает заряженной зарядное устройство и она редко разряжается, что способствует продлению ее срока службы. Необходимо обязательно прекратить питание РС от батареи, если индикатор показывает ее почти полный разряд, и как можно быстрее зарядить батарею. Обычно БИП не допускает полного разряда батареи, так как при этом сильно сокращается ее срок службы.

Предупреждение: Обязательно соблюдайте спецификации БИП. Не храните БИП и батарею при более низкой температуре, чем определено производителем, особенно если батарея разряжена, так как иначе она может выйти из строя.

Помните, что при первом подключении нового БИП на заряд батарей уходит несколько часов. До окончания полного заряда батареи БИП будет хорошо работать при наличии напряжения электросети, но при его пропадании возникнут проблемы.

Предупреждение: Свинцово-кислотные батареи, даже герметизированные, потенциально опасны. При работе с батареями всегда соблюдайте следующие меры предосторожности:

• Никогда не подвергайте батареи сильным физическим ударам.
• Свинцово-кислотные батареи должны правильно утилизироваться из-за содержащихся в них опасных химикалий. Не выбрасывайте батареи в мусорное ведро.
• Никогда не допускайте воздействия на батарею огня, так как она может взорваться.
• Закорачивание выводов батареи без нагрузки может привести к перегреву и взрыву. При работе с батареями всегда пользуйтесь инструментами с обрезиненными ручками.

Шнур питания

Стандартные розетки электросети в США называются NEMA 5-15 (National Electrical Manufacturers Association - NEMA). Они рассчитаны максимум на 125 В и 15 А, что определяет максимальную мощность БИП в 1875 вольт-ампер. На практике предельная мощность для розетки принимается в 1440 вольт-ампер. Для большинства БИП меньшей мощности вполне годится стандартная вилка.

Для подключения более мощного БИП необходима специальный кабель с более толстыми проводами. Чтобы отличать более мощную цепь от обычной, применяются вилки различных форм. Имеются десятки стандартов на вилки и розетки, рассчитанные на различные комбинации напряжения и тока.

Основной силовой выключатель

Большинство БИП имеет на лицевой панели основной силовой выключатель. Обычно он выполнен как электронный коммутатор, а не как механический; он посылает сигнал в устройство управления БИП, которое и производит включение. Несмотря на простоту выключателя, необходимо помнить о нем два важных момента.

Во-первых, эта кнопка включает и выключает нагрузку блока БИП, а не сам БИП. Если нажать нажать кнопку для выключения БИП, компьютер немедленно выключается, но сам БИП остается включенным и заряжает батарею до тех пор, пока вилка не вынута из розетки.

Во-вторых, эту кнопку необходимо защитить от случайного (или намеренного) доступа. При случайном нажатии ее РС, конечно, выключится, ликвидируя основное преимущество БИП. Лучше всего разместить выключатель сзади устройство или закрыть его крышкой.

Наконец, если БИП не подключен к электросети (например, после транспортировки), необходимо убедиться в том, что электросеть отключена и ее нельзя включить случайно. В противном случае БИП будет считать, что он подключен к электросети, но напряжение отсутствует, и батарея будет разряжаться.

Выходные розетки

В выходные розетки вставляются вилки защищаемого БИП оборудования. Число розеток зависит от мощности и стоимости БИП: менее дорогие БИП обычно имеют меньше розеток, дорогие устройства могут иметь 10 и более розеток. Напряжением на розетках управляет основной силовой выключатель. В большинстве дешевых БИП используются стандартные розетки, а в мощных устройствах - специальные розетки, рассчитанные на большой ток.

В РС обычно имеются устройства, которые не нужно защищать с помощью БИП, например принтер или сканер. Лазерные принтеры потребляют значительную мощность и их нельзя подключать БИП мощностью меньше 1400 вольт-ампер. Подключение к БИП ненужных периферийных устройств сокращает время работы критических компонентов. Поскольку такие устройства должны иметь некоторую защиту от помех в электросети, во многих БИП предусматриваются розетки, которые подают напряжение электросети через сетевой фильтр, но не подключены к инвертору и батарее. Большинство высококачественных моделей БИП имеют также защиту (сетевой фильтр и подавитель выбросов) для модема и/или сетевого соединения.

Индикаторы состояния

Большинство БИП имеет несколько индикаторов, сообщающих о текущем состоянии БИП. Визуальные индикаторы (обычно светодиоды) показывают общее состояние БИП, а также проблемные ситуации. Звуковые индикаторы, иногда называемые сигналами тревоги (alarms), используются для привлечения внимания пользователя к возникшей проблеме. Число и типы индикаторов варьируются в различных моделях, причем в более дорогих БИП индикаторов обычно больше.

Типичный БИП имеет такие индикаторы состояния:

• От сети (Online): Светодиод, который светится при работе устройства от электросети. В резервном или интерактивном БИП этот индикатор светится в процессе обычной работы.
• От батареи (On Battery): Светодиод, который светится, когда БИП работает от батареи. При этом светодиод "От сети" не светится.
• Перегрузка (Overload): Светодиод светится при попытке подключить БИП нагрузку, которая больше его номинальной мощности.
• Нарушение подключения к электросети Этот светодиод может располагаться на задней стороне БИП, а не на лицевой панели. При включении БИП проверяет три сигнала, подаваемые в него силовым кабелем: фаза, нейтраль и земля. Может оказаться, например, что фаза и нейтраль перепутаны или что нарушено земляное соединение. Когда данный светодиод светится, рекомендуется пригласить опытного электрика.
• Замена батареи (Replace Battery): БИП периодически проверяет батарею на предмет ее заряженного состояния и номинальных параметров. Если проверка не проходит, этот светодиод будет светиться, показывая необходимость замены батареи.

Примечание: Некоторые БИП включают светодиод замены батареи, когда батарея разряжена при продолжительном отключении электросети. Рекомендуется всегда попытаться зарядить батарею, подключая БИП к электросети, прежде чем заменять батарею.

• Разряженная батарея (Low Battery): Некоторые БИП имеют светодиод, который сообщает о том, что батарея почти разряжена и последует немедленное отключение. (Обычно БИП не разряжает батарею полностью, так как это может повредить ее.)
• Состояние батареи (Battery Status): Большие и дорогие БИП часто имеют набор светодиодов, показывающих, насколько заряжена батарея. Например, некоторые БИП имеют пять зеленых светодиодов, выстроенных в вертикальную полоску. Когда все пять светодиодов светятся, батарея заряжена на 100%, когда светятся четыре - заряжена на 80% и т.д. Знание состояния батареи полезно при длительных отключениях электросети.
• Состояние нагрузки (Load Status): Некоторые БИП имеют набор светодиодов, аналогичных светодиодам состояния батареи, которые показывают, какой процент номинальной мощности БИП потребляют подключенные к нему устройства.

Примечание: Некоторые БИП специально отображают нечто подобное "светофору" или "бегущей строке", чтобы сообщить о разряде батареи после неисправности сети.

Поскольку при обычных обстоятельствах пользователи РС не "глазеют" на БИП, ожидая включения светодиодов, большинство высококачественных устройств в случае проблемных ситуаций подают звуковые сигналы. Обычно БИП "пищит" несколько раз через одну-две минуты, когда устройство переключается с сети на батарею. О более серьезных проблемах, например перегрузке или разряде батареи, БИП может сигнализировать более громким звуком.

В дополнение к простым индикаторам состояния лучшие модели БИП поставляются со специальной программой для управления и контроля. Иногда БИП имеют жидкокристаллическую панель управления для контроля устройства и управления им.

Аппаратные и программные средства управления и контроля

Одним из наиболее полезных "компонентов" новых моделей БИП является программа управления и контроля, которая предоставляет более подробную информацию о состоянии и расширенные средства управления работой БИП. До недавнего времени такие возможности были реализованы только в очень дорогих устройствах, а сейчас они встроены даже в дешевые потребительские БИП. Конечно, в более дорогих устройствах имеются более широкие средства управления, для которых требуется и более дорогая программа.

Аппаратная часть этих новых возможностей выполнена в виде специального кабеля, который соединяет специальный интерфейсный порт, находящийся с задней стороны БИП, с интерфейсным портом РС. Традиционно для этого применялся последовательный порт, но новые устройства можно подключить к порту универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus - USB) и даже непосредственно к компьютерной сети.

Программы для управления БИП варьируются в зависимости от производителя и модели, но они обычно реализуют функции следующих широких категорий:

• Состояние: Программа показывает подробную информацию о текущем состоянии БИП, например о нагрузке, степени заряда батареи, окружающих условиях (температура, влажность и др.) и электрические характеристики входной и выходной мощности.
• Регистрация: Программа следит за происходящими событиями, например самоконтроле, прерываниях электросети и др. Это полезно для просмотра того, как часто и на какое время отключалась электросеть.
• Диагностика: Управляющая программа позволяет выполнять разнообразные тесты БИП и определять график тестирования.
• Оповещения РС: Программу можно конфигурировать на посылку извещений в подключенный РС или в другой РС локальной сети, когда БИП регистрирует проблемную ситуацию или переключается на работу от батареи.
• Автоматическое выключение: По-видимому, это самое важное и полезное средство управляющей программы.

На рисунке показан основной экран управляющей программы PowerChute Plus компании APC. Столбиковые диаграммы показывают состояние батареи, напряжение электросети и нагрузку БИП. Слева отображается дополнительная информация о состоянии.

Функции и возможности бесперебойного источника питания

После обсуждения общих принципов работы БИП, основных типов БИП и их основных компонентов рассмотрим некоторые функции и возможности, которые отличают одно устройство от другого, а также приведем важные параметры, определяющие возможности БИП. Материал этого раздела должен помочь выбрать тип и емкость БИП, необходимого для конкретной ситуации.

Форм-факторы

Форм-фактор устройства определяет его общую конфигурацию и размеры. Приходится отметить, что форм-факторы БИП не столь стандартизованы как форм-факторы корпусов РС и блоков питания. Это объясняется тем, что чем большую батарею содержит устройство, тем больше его емкость и тем больше его размеры. Поэтому БИП разной емкости обычно имеют различные размеры.

Однако большинство БИП по форм-фактору попадают в одну из двух общих категорий - автономная модель и стоечная модель. Автономные БИП в переносных корпусах обычно устанавливаются на полу рядом с оборудованием. Стоечные БИП специально спроектированы для размещения в стойках для стоечных РС, в сетевом оборудовании или другом месте. Стойки часто применяются в промышленной и офисной среде для экономии площади пола, так как компоненты "складываются" вертикально. При этом упрощаются соединения между устройствами в стойке. При размещении БИП в стойке необходимо обратить внимание на правильное охлаждение.

Емкость и время работы

Одними из важнейших параметров БИП являются его емкость (capacity) и время работы (run time). Несмотря на то, что эти параметры взаимосвязаны, они не означат одно и то же. Важно разобраться в различиях между ними, чтобы правильно определить мощность БИП.

Нагрузка (ВА)	Время работы (минуты)
100	49
200	22
300	14
400	9.3
500	7.2
600	5.8

Под временем работы понимается число минут, в течение которых БИП способен обеспечивать питание от батареи для данного уровня нагрузки. Разумеется, увеличение нагрузки приводит к сокращению времени работы. БИП с дополнительным пакетом батарей при заданной нагрузке обеспечивает более продолжительное время работы. Знать время работы очень важно, так как оно определяет максимальное время отключения электросети, с которым может "справиться" БИП. Производители БИП предоставляют таблицы, которые показывают типичные времена работы для различных нагрузок. Слева показана такая таблица для модели Back-UPS Pro 650 наиболее известной компании American Power Conversion (http://www.apcc.com).

Обратите внимание на времена работы для 100, 200 и 400 ВА. При удвоении нагрузки время работы уменьшается не наполовину, а больше чем на половину. Объясняется это тем, что свинцово-кислотные батареи при увеличении нагрузки разряжаются быстрее.

Глядя на приведенную таблицу, можно задать естественный вопрос: а как долго БИП будет работать при нагрузке 800 ВА? 4 минуты? 2 минуты? К сожалению, по всей вероятности ответ на этот вопрос будет 0 минут. Именно здесь приходится учитывать мощность. БИП имеет максимальную номинальную мощность, которую обычно показывает число в названии модели. Для Back-UPS Pro 650 она составляет 650 ВА. По-видимому, БИП справится с нагрузкой, несколько превышающей 650 ВА (ведь автомобиль не останавливается моментально, когда включается индикатор пустого бака), но нагрузка 800 ВА вызовет перегрузку и отключение БИП при переключении на батарею. Определение значения максимальной емкости объясняется не только батареями, так как она зависит также от особенностей внутренних схем БИП и даже проводов, рассчитанных на определенную нагрузку. Кроме того, превышение предельного тока в цепи просто опасно.

Многие модели мощных БИП позволяют увеличить время работы, добавляя пакеты расширения батарей. Такие устройства очень удобны, особенно когда при приобретении устройства нет точных сведений о возможной нагрузке. Для повышения мощности такого устройства достаточно приобрести только дополнительные батареи.

Улучшение выходного сигнала

Большинство (но не все) моделей БИП не только обеспечивают резервное питание, но и "улучшают" форму напряжения электросети. Возможности такого "улучшения" зависят от схемы и показателя качества БИП. Онлайновые БИП обеспечивают самое хорошее улучшение, так как выходной сигнал полностью отделен от сигнала электросети. В результате возникающие в электросети проблемы влияют только на зарядное устройство батареи. Однако даже в менее дорогих моделях БИП имеются средства улучшения сигнала электросети при работе защищаемого оборудования от источника переменного тока. Кроме того, практически во всех БИП имеется сетевой фильтр.

БИП также автоматически стабилизируют свое выходное напряжение. При уменьшении напряжения батареи по мере ее разряда БИП поддерживает выходное напряжение постоянным, обеспечивая правильное питание защищаемого оборудования.

Самоконтроль

В большинстве БИП имеется встроенный самоконтроль, который должен гарантировать, что БИП работает правильно и РС защищен. Обычно БИП выполняет самоконтроль при первом включении, а затем в соответствии с периодическим графиком. Например, некоторые БИП выполняют самоконтроль один раз в день, а другие - раз в неделю. Во время самоконтроля могут включаться индикаторы и подаваться звуковые сигналы, но самоконтроль не должен влиять на защищаемую нагрузку. После запуска управляющей программы БИП пользователь может задать периодичность самоконтроля, а также выполнить самоконтроль по требованию.

Конечно, самоконтроль является важным средством, но он никогда не заменит "контроль в реальном мире". Такой контроль означает включение БИП под нагрузкой, на которую он рассчитан, а затем "выдергивание" вилки БИП и наблюдение за его работой. Разумеется, такой контроль не следует выполнять слишком часто, так как большое число циклов заряда/разряда сокращает срок службы батареи. Но все же его рекомендуется периодически выполнять, особенно при изменении нагрузки на БИП.

Форма выходного напряжения

Для некоторых применений важным показателем качества БИП является форма выходного напряжения, т.е. форма сигнала переменного тока, формируемого БИП. Главным определяющим фактором формы сигнала большинства БИП является качество и стоимость инвертора в составе БИП. Конечно, в идеальном случае БИП должен формировать чистый выходной сигнал, форма которого близка к форме напряжения электросети, но это достигается не всегда.

Имеются три основных типа формы сигналов, формируемых БИП:

• Синусоидальный сигнал: Это наилучшая форма сигнала, так как она представляет идеальную форму напряжения переменного тока электросети. Высококачественные БИП формируют синусоидальное выходное напряжение, но для этого в схеме инвертора требуются дорогие компоненты. Синусоидальное напряжение особенно важно для онлайновых БИП, поскольку в них питание нагрузки всегда осуществляется от инвертора.
• Прямоугольная форма: Эта наименее желательная форма выходного напряжения представляет собой деформированный синусоидальный сигнал. Вместо плавного изменения напряжения оно изменяется очень резко от одного уровня к другому. Такое напряжение формируют простые и дешевые инверторы, в которых используются дешевые компоненты. Подача на РС прямоугольного напряжения может вызвать некоторые проблемы. Например, пиковое напряжение прямоугольного сигнала значительно ниже синусоидального сигнала, что нежелательно для некоторых типов оборудования. Кроме того, в спектре синусоидального сигнала имеется только одна частота (60 Гц в США и 50 Гц в Европе), а спектр прямоугольного сигнала содержит множество высокочастотных составляющих, называемых гармониками. Гармоники могут вызвать неустойчивую работу защищаемого оборудования. По возможности рекомендуется не использовать БИП, которые формируют прямоугольное выходное напряжение.
• Модифицированная прямоугольная форма: Эта форма представляет собой компромисс между синусоидальной и прямоугольной формами. Положительные и отрицательные импульсы прямоугольного сигнала разделены и сделаны выше и уже, поэтому пиковое напряжение ближе к пиковому напряжению синусоиды, а общая форма сигнала больше напоминает синусоиду. Стоимость схем формирования модифицированного прямоугольного сигнала значительно ниже стоимости схем формирования синусоидального сигнала. Модифицированный прямоугольный сигнал применяется во многих БИП малой и средней мощности. Его часто называют кусочной аппроксимацией синусоиды (stepped approximation to a sine wave), импульсно-широтным модифицированным прямоугольным сигналом (pulse-width modified square wave) и даже модифицированной синусоидой (modified sine wave).

На практике для домашних РС вполне подходит БИП, формирующий модифицированное прямоугольное напряжение. Он без всяких проблем обеспечивает питание РС, монитора и аналогичного оборудования. Конечно, следует помнить, что дешевые БИП выдают прямоугольное напряжение только при отключении электросети, а в обычных условиях питание оборудования осуществляется от электросети.

Автоматическое выключение

Одним из важных показателей качества БИП является наличие средства автоматического выключения (automatic shutdown). Благодаря ему БИП сообщает операционной системе о необходимости выключения БИП и/или РС. Без этого средства при некоторых обстоятельствах БИП может "сыграть злую шутку". Предположим, что РС, не имеющий средства автоматического выключения, работает без присутствия пользователя. Представим, что напряжение электросети пропадает и БИП переключается на батарею. Напряжение электросети долго не восстанавливается, но рядом с РС никого нет. В конце концов, батарея разряжается и он выключается; при этом питание РС моментально прекращается. В этой ситуации БИП просто отложил неизбежное аварийное выключение РС.

БИП со средством автоматического выключения использует свои управляющие аппаратные и программные средства, которые "соединяют" его микропроцессор с РС. Пользователь задает параметры того, когда БИП должен выключиться при продолжительном отключении напряжения электросети. Например, можно определить, что РС должен работать от батареи до ее разряда на 80%, а затем выключить компьютер. Когда батарея разряжена на 80%, программа БИП инициирует процедуру выключения РС, которая закрывает приложения и прекращает функционирование операционной системы. Если компьютер поддерживает мягкое питание (soft power), специальная программа может выключить РС, а затем выдать в БИП команду выключения.

Примечание: Данное средство нельзя считать надежным на 100%. Некоторые приложения плохо написаны и не реагируют правильно на запрос выключения от операционной системы. Если оставить файл открытым и надолго оставить РС без наблюдения, приложение вместо своего закрытия может зависнуть с диалоговым боксом "Необходимо сохранить файл?" Автоматическое выключение очень полезно, но нельзя абсолютно полагаться на него; рекомендуется обязательно сохранять данные и закрывать приложения по окончании работы с ними.

Гарантия

Все БИП поставляются с гарантийными обязательствами, которые необходимо внимательно изучить. Как и у любого компьютерного оборудования, гарантийное обслуживание одних устройств лучше, чем у других. Обычно, но не всегда, высококачественные БИП имеют более продолжительные гарантийные сроки.

Спецификации БИП

Обычно прилагаемые к устройству спецификации довольно обширны, но только некоторые из них имеют важное значение и их необходимо учитывать при выборе БИП.

Общие спецификации:

• Тип БИП: Общая схема БИП, которую нужно обязательно изучить.
• Нагрузочная способность: Максимальная емкость БИП в вольт-амперах.

Физические спецификации:

• Размеры: Высота, ширина и глубина устройства. Размеры нужно знать, чтобы определить, поместится ли БИП в отведенном ему месте.
• Вес: Некоторые большие БИП очень тяжелые и переносить их необходимо вдвоем.
• Число тип розеток: Сколько розеток и какого типа имеется для питания нагрузки.
• Цвет: Цвет БИП должен соответствовать цвету остального компьютерного оборудования.

Спецификации рабочей обстановки:

• Диапазон рабочей температуры: БИП выделяют тепло и не могут работать в помещении без достаточного охлаждения.
• Температурный диапазон хранения: Необходимо обратить внимание на нижний диапазон, так как батареи очень чувствительны к холоду.
• Интервал подзаряда: Показывает, как часто необходимо подзаряжать батарею при длительном хранении.

Спецификации входа:

• Входное напряжение: Спецификации номинального напряжения и диапазона допустимых напряжений электросети.
• Номинальная частота: Обычно номинальная частота равна 50 или 60 Гц. Некоторые модели БИП могут автоматически настраиваться на любую частоту.
• Входное соединение: Тип розетки, предназначенной для силового шнура.

Спецификации выхода:

• Выходное напряжение: Номинальное напряжение и диапазон допустимых значений. Номинальное напряжение должно соответствовать номинальному входному напряжению.
• Форма выходного сигнала: Сигнал какой формы формирует БИП - синусоидальный, прямоугольный или модифицированный прямоугольный.
• Время перехода: Типичное и/или максимальное значение временного интервала, необходимого БИП для переключения с электросети на батарею. Для онлайновых БИП этот интервал равен нулю, а для резервных устройств он обычно составляет несколько миллисекунд. Необходимо сравнить этот интервал со временем удержания (hold time) блока питания РС, которое показывает допустимое время отключения входа до прерывания питания. Если время перехода больше времени удержания, то БИП не подходит для данного РС.
• Спецификации фильтрации, подавления и стабилизации: Параметры схем БИП, которые используются для "чистки" сигнала электросети при работе от источника переменного тока.

Спецификации батареи:

• Тип батареи: Тип батареи в БИП и возможность ее замены пользователем.
• Емкость батареи: Емкость батареи в ампер-часах.
• Типичный срок службы: Среднее число лет службы батареи при использовании ее в среднем режиме.
• Типичное время работы при полной нагрузке: Число минут питания от батареи при максимальной нагрузке.
• Типичное время работы при половинной нагрузке: Число минут питания от батареи при половинной нагрузке.
• Типичное время перезаряда: Число часов для полного заряда разряженной батареи от электросети.
• Расширение батареи: Возможность расширения батареи БИП.

Прочие:

• Индикаторы и сигнализаторы: Краткий перечень светодиодов и условия запуска сигнализаторов.
• Аппаратные и программные средства управления и контроля: Краткое описание обязательных и необязательных систем управления и контроля, включая спецификацию поддерживаемых БИП интерфейсов.
• Сертификация: Какие организации сертифицировали БИП.
• Гарантия: Срок гарантийного обслуживания в годах.

Сравнение методов защиты по питанию

В следующей таблице приведено сравнение различных вариантов защиты по питанию. Показаны типичные уровни защиты, но конкретные уровни сильно зависят от модели устройства.

Примечание: В приведенных характеристиках для всех типов БИП предполагается, что устройство имеет сетевой фильтр. Если его нет, то уровень защиты от выбросов и молний снижается до уровня "Нет защиты".