СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в системе электропитания компьютеров и компьютерных систем.
Известен источник бесперебойного электропитания компьютера по свидетельству РФ на полезную модель №19972. В этом устройстве необходимые для электропитания компьютера напряжения формируются аккумулятором, емкостным делителем, полумостовым преобразователем без установки мощного конвертора, что повышает КПД и уменьшает габариты устройства в сравнении с предыдущим решением. Однако для обеспечения бесперебойного электропитания компьютера требуется постоянно заряженный аккумулятор. В случае неожиданной его разрядки резко снижается надежность обеспечения бесперебойного электропитания компьютера и КПД.
Известна также система бесперебойного электропитания компьютеров по патенту РФ на полезную модель №44011, МПК 7 H02J 9/06, опубл. 10.02.2005. Для обеспечения надежного бесперебойного электропитания компьютера эта известная система бесперебойного электропитания компьютера содержит основной блок электропитания компьютера, на выходах которого сформированы напряжения +12 В, -12 В, +5 В и -5 В, и резервный источник электропитания, выходы которого объединены с соответствующими по знаку и значению выходами сетевого блока электропитания компьютера. Резервный источник электропитания включает в себя аккумулятор, разделительные диоды, анод одного из которых соединен с положительным выводом аккумулятора, катод другого - с его отрицательным выводом, и емкостной делитель, который подключен к выводам аккумулятора и через разделительные диоды к входам компьютера +5 В и -5 В. Кроме этого, система по патенту №44011
содержит задающий генератор, полумостовой преобразователь постоянного напряжения, выполненный из последовательно соединенных транзисторов, трансформатора, зарядных и выпрямительных диодов. Коллектор одного из транзисторов полумостового преобразователя соединен с положительным выводом аккумулятора, эмиттер другого транзистора соединен с отрицательным выводом аккумулятора, а их базы подключены к задающему генератору. К средней точке этих транзисторов подсоединен один вывод первичной обмотки трансформатора, другой вывод которой соединен со средней точкой зарядных диодов, а средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена со средней точкой емкостного делителя. Выводы вторичной обмотки трансформатора соединены с катодами выпрямительных диодов, аноды которых объединены, образуя единый выход -12 В. Средняя точка вторичной обмотки трансформатора подключена к отрицательному выводу аккумулятора.
Поскольку предлагаемая система включает и сетевой блок электропитания, и резервный (аккумулятор), а их выходы объединены, питание компьютера может осуществляться и от основной сети, и от резервного источника электропитания в случае неожиданного снижения или пропадания напряжения в основной сети. Поэтому надежность такого устройства и КПД повышаются.
Однако система электропитания по патенту №44011 имеет и существенный недостаток. При разряде аккумулятора и, как следствие, уменьшении выходных напряжений резервного блока питания более чем на 10% от номинальных значений, происходит отключение системного блока компьютера.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является система бесперебойного электропитания компьютера по патенту РФ на полезную модель №56087. Данное устройство принято за прототип заявляемой полезной модели.
Устройство по прототипу содержит сетевой (системный) блок электропитания компьютера, подключенный к основному источнику питания и на выходах которого сформированы напряжения +12 В, -12 В, +5 В и -5 В, и резервный источник электропитания, выходы которого объединены с соответствующими по величине и знаку выходами сетевого блока электропитания компьютера. Резервный источник электропитания включает аккумулятор, емкостной делитель, разделительный диод, катод которого подключен к входу+5 В компьютера, задающий генератор, полумостовой преобразователь постоянного напряжения, выполненный из последовательно соединенных двух транзисторов, трансформатора, зарядных и выпрямительных диодов. Трансформатор имеет две вторичные обмотки, средние точки которых объединены. Эмиттер одного из транзисторов соединен с отрицательным выводом аккумулятора, их базы подключены к задающему генератору. К средней точке транзисторов подключен один вывод первичной обмотки трансформатора, другой вывод которой соединен со средней точкой зарядных диодов, при этом средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена со средней точкой емкостного делителя. Выводы первой вторичной обмотки трансформатора соединены с катодами выпрямительных диодов, аноды которых объединены, образуя единый выход резервного источника электропитания -12 В, а средняя точка первой вторичной обмотки трансформатора подключена к отрицательному выводу аккумулятора. Выводы второй вторичной обмотки трансформатора соединены с катодами двух дополнительных выпрямительных диодов. Аноды дополнительных выпрямительных диодов объединены, образуя единый выход источника электропитания -5 В. Кроме этого, устройство содержит вольтдобавочный высокочастотный инвертор, включающий силовой трансформатор, диоды и силовые транзисторы, выходной LC-фильтр, широтно-импульсный модулятор, схему сравнения, источник опорного напряжения. Средняя точка первичных обмоток силового трансформатора и объединенные
концы его вторичных обмоток соединены с положительным выводом аккумулятора, а вторые концы вторичных обмоток подключены к анодам диодов, катоды которых объединены и подключены к входу LC-фильтра. Выход LC-фильтра соединен с входом емкостного делителя. Базы силовых транзисторов вольтдобавочного инвертора соединены с выходами широтно-импульсного модулятора, входы которого соединены с выходом схемы сравнения и дополнительным выходом задающего генератора, при этом прямой вход схемы сравнения соединен с выходом источника опорного напряжения, а инверсный вход соединен с выходом+5 В резервного источника электропитания компьютера. Кроме того, анод разделительного диода резервного источника электропитания соединен со средней точкой емкостного делителя, коллектор второго транзистора полумостового преобразователя соединен с дросселем LC-фильтра.
Вольтдобавочный инвертор, источник опорного напряжения, схема сравнения и широтно-импульсный модулятор в устройстве по прототипу обеспечивают стабилизацию напряжения на выходе резервного источника электропитания и тем самым увеличивают время бесперебойной работы системы электропитания компьютера.
Однако наличие одновременно и системного блока питания, на выходе которого сформированы напряжения +12 В, -12 В, +5 В и -5 В, необходимые для осуществления электропитания компьютера, и резервного источника электропитания повышают массогабаритные показатели устройства.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы наряду с теми преимуществами, которыми обладает устройство по прототипу, снизить его массогабаритные показатели.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в совмещении основного и резервного каналов на участке формирования напряжений +12 В, -12 В, +5 В и -5 В и наличии единого
выхода для этих каналов, а также в стабилизации напряжений на выходе системы бесперебойного электропитания.
Указанный результат достигается следующим образом.
Заявляемая в качестве полезной модели система бесперебойного электропитания компьютера, как и в прототипе, содержит аккумулятор, вольтдобавочный высокочастотный инвертор, выходной LC-фильтр, емкостной делитель, разделительный диод, катод которого подключен к входу +5 В компьютера, а анод соединен со средней точкой емкостного делителя, полумостовой преобразователь постоянного напряжения, задающий генератор, широтно-импульсный модулятор, схему сравнения и источник опорного напряжения. Высокочастотный инвертор в заявляемой системе выполнен как и в прототипе и включает силовой трансформатор, диоды и силовые транзисторы. Полумостовой преобразователь постоянного напряжения содержит последовательно соединенные два транзистора, трансформатор с двумя вторичными обмотками, средние точки которых объединены и подключены к отрицательному выводу аккумулятора, два зарядных и четыре выпрямительных диодов. Концы вторичных обмоток силового трансформатора вольтдобавочного инвертора подключены к анодам диодов, катоды которых объединены и подключены к входу LC-фильтра. Выход LC-фильтра соединен с входом емкостного делителя. Базы силовых транзисторов вольтдобавочного инвертора соединены с выходами широтно-импульсного модулятора, входы которого соединены с выходом схемы сравнения и дополнительным выходом задающего генератора, при этом прямой вход схемы сравнения соединен с выходом источника опорного напряжения, а инверсный вход подключен к входу +5 В компьютера. Кроме того, эмиттер одного из транзисторов полумостового преобразователя постоянного напряжения соединен с отрицательным выводом аккумулятора, коллектор второго транзистора полумостового преобразователя соединен с дросселем LC-фильтра и образует выход +12 В, а их базы подключены к задающему
генератору. К средней точке этих транзисторов подключен один вывод первичной обмотки трансформатора, другой вывод которой соединен со средней точкой зарядных диодов, при этом средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена со средней точкой емкостного делителя. Выводы одной вторичной обмотки трансформатора соединены с катодами двух выпрямительных диодов, аноды которых объединены, образуя единый выход системы электропитания -12 В. Выводы второй вторичной обмотки трансформатора соединены с катодами двух других выпрямительных диодов, аноды которых тоже объединены, образуя единый выход -5 В.
В отличие от прототипа согласно заявляемой полезной модели система бесперебойного электропитания компьютера дополнительно содержит бестрансформаторный выпрямитель, подключенный к основной сети переменного тока, емкостной накопитель энергии постоянного тока, второй LC-фильтр, высокочастотный понижающий конвертор, на выходе которого сформировано напряжение +12 В, и схему ИЛИ. Вход емкостного накопителя энергии постоянного тока и вход LC-фильтра соединены с выходом бестрансформаторного выпрямителя, а с выходом LC-фильтра соединен вход высокочастотного понижающего конвертора. Выход высокочастотного понижающего конвертора подключен к одному из входов схемы ИЛИ. Другой вход схемы ИЛИ соединен с положительной клеммой аккумулятора. Выход схемы ИЛИ соединен со средней точкой первичных и с объединенными концами вторичных обмоток силового трансформатора вольтдобавочного инвертора.
Отличия от наиболее близкого технического решения подтверждают новизну заявляемой полезной модели.
Электропитание компьютера в нормальном режиме осуществляется от основной сети переменного тока. Наличие в основном канале бестрансформаторного выпрямителя, емкостного накопителя энергии постоянного тока, LC-фильтра и высокочастотного понижающего
конвертора позволяет снимать необходимое напряжение для электропитания компьютера +12 В с низковольтного выхода высокочастотного конвертора. Резервным источником электропитания в заявляемой системе служит аккумулятор, выходное напряжение которого тоже +12 В. Переключение основного и резервного каналов электропитания происходит за счет схемы ИЛИ, к соответствующим входам которой подключены высокочастотный понижающий конвертор и аккумулятор. Формирование напряжений +12 В, -12 В, +5 В и -5 В и стабилизация выходного напряжения системы электропитания при включении основного или резервного канала происходит одним и тем же путем. Для этого заявляемая система содержит общие для обоих каналов вольтдобавочный высокочастотный инвертор, выходной LC-фильтр, емкостной делитель, разделительный диод, полумостовой преобразователь постоянного напряжения, задающий генератор, широтно-импульсный модулятор, схему сравнения и источник опорного напряжения, а выход схемы ИЛИ соединен со средней точкой первичных и с объединенными концами вторичных обмоток силового трансформатора вольтдобавочного инвертора. Таким образом, предложенная схема заявляемого устройства позволяет исключить из системы бесперебойного электропитания сетевой блок электропитания компьютера и тем самым снизить в сравнении с прототипом его массу и габариты. Стабилизация напряжения на выходе системы электропитания, как и в прототипе, обеспечивается наличием в схеме вольтдобавочного инвертора, источника опорного напряжения, схемы сравнения и широтно-импульсного модулятора. Стабилизация выходного напряжения выполняется за счет напряжения обратной связи с выхода наиболее нагруженного канала электропитания, которым является выход +5 В. С этим выходом соединен один из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходу источника опорного напряжения. Поскольку выход схемы сравнения соединен с входом широтно-импульсного модулятора, на выходных обмотках силового
трансформатора вольтдобавочного высокочастотного инвертора появляются импульсы напряжения, длительность которых определяется отклонением выходного напряжения +5 В от опорного напряжения. Это позволяет стабилизировать напряжения на выходе системы электропитания компьютера.
На чертеже изображена схема заявляемой системы бесперебойного электропитания компьютера.
Система бесперебойного электропитания компьютера содержит основной источник электропитания компьютера (сеть переменного тока) 1, и резервный источник электропитания - аккумулятор 2. Основной канал электропитания включает бестрансформаторный выпрямитель 3, подключенный к основному источнику электропитания 1, емкостной накопитель энергии постоянного тока 4 и LC-фильтр 5, входы которых соединены с выходом бестрансформаторного выпрямителя 3, высокочастотный понижающий конвертор 6, вход которого соединен с выходом LC-фильтра 5. Для переключения электропитания с основного источника электропитания 1 на аккумулятор 2 система содержит схему ИЛИ, выполненную на диодах 7 и 8. Выход высокочастотного понижающего конвертора 6 соединен с анодом диода 7, анод диода 8 схемы ИЛИ соединен с положительной клеммой аккумулятора. Схема формирования необходимых для электропитания компьютера напряжений +12 В, -12 В, +5 В и -5 В для основного и резервного канала едина. Она содержит вольтдобавочный высокочастотный инвертор 9, LC-фильтр, состоящий из дросселя 10 и конденсатора 11, емкостной делитель на конденсаторах 12, 13, полумостовой преобразователь, который состоит из последовательно соединенных транзисторов 14, 15, трансформатора 16, последовательно соединенных зарядных диодов 17, 18 и выпрямительных диодов 19, 20, 21, 22. К средней точке первичной обмотки 23, 24 трансформатора 16 подключена средняя точка емкостного делителя 12, 13. Вывод первичной обмотки 23 трансформатора 16 соединен со средней
точкой транзисторов 14, 15, а другой вывод первичной обмотки 23 трансформатора 16 соединен со средней точкой зарядных диодов 17, 18. Выводы вторичной обмотки 25, 26 трансформатора 16 соединены с катодами выпрямительных диодов 19, 20, аноды которых объединены и образуют единый выход источника -12 В. Средняя точка вторичной обмотки 25, 26 трансформатора 16 подключена к минусовой клемме аккумулятора 2. Выводы вторичной обмотки 27,28 трансформатора 16 соединены с катодами выпрямительных диодов 21, 22, аноды которых объединены и образуют единый выход источника -5 В. Средняя точка вторичной обмотки 27, 28 трансформатора 16 подключена к минусовой клемме аккумулятора 2. К средней точке емкостного делителя 12,13 подключен анод разделительного диода 29, катод которого подключен к шине питания компьютера +5 В. Для управления транзисторами 14, 15 с их базами соединен задающий генератор 30. Средняя точка первичных обмоток 31, 32 и объединенные концы вторичных обмоток 34, 35 силового трансформатора 33 вольтдобавочного инвертора 9 подключены к выходу схемы ИЛИ. Вторые концы вторичных обмоток 34, 35 силового трансформатора 33 подключены к анодам диодов 36, 37, катоды которых объединены и подключены к входу LC-фильтра 10, 11, выход которого соединен с входом емкостного делителя на конденсаторах 12, 13. Базы силовых транзисторов 38, 39 вольтдобавочного инвертора 9 соединены с выходом широтно-импульсного модулятора 40, входы которого соединены с выходом схемы сравнения 41 и дополнительным выходом задающего генератора 30. Прямой вход схемы сравнения 41 соединен с выходом источника опорного напряжения 42, а инверсный выход - с объединенным выходом +5 В резервного и основного источников электропитания компьютера.
Система бесперебойного электропитания работает следующим образом.
В нормальном режиме электропитание компьютера осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В. Сетевое напряжение переменного тока сначала выпрямляется выпрямителем 2. Постоянным напряжением непосредственно подзаряжают емкостной накопитель энергии постоянного тока 4. Емкостной накопитель 4 и LC-фильтр 5 поддерживают в необходимых пределах постоянное напряжение на входе понижающего высокочастотного конвертора 6. С выхода конвертора 6 снимается напряжение +12 В, которое подается на вход схемы ИЛИ. При возникших неполадках в сети, отсутствии напряжения по мере разряда емкостного накопителя 4 происходит выключение диода 7 схемы ИЛИ и включается диод 8. В этом случае питание компьютера происходит от аккумулятора 2, с положительной клеммой которого соединен анод диода 8 схемы ИЛИ. Формирование напряжений ±5 В, ±12 В при осуществлении электропитания компьютера от основного или резервного источника электропитания происходит одинаково. Напряжение +12 В с выхода схемы ИЛИ через вольтдобавочный инвертор 9 поступает на вход компьютера. Напряжение +5 В образуется благодаря установленному на выходе LC-фильтра 10, 11 емкостному делителю 12, 13 и разделительному диоду 29, падение напряжения на котором около 1 В. Для устранения несимметрии разделения напряжения на емкостном делителе из-за разброса номиналов емкостей конденсаторов 12, 13 используется управление транзисторами 14, 15 от задающего генератора 30. Это происходит следующим образом. Допустим, что напряжение на конденсаторе 12 больше, чем на конденсаторе 13. При включении транзистора 14, за счет протекания тока разряда конденсатора 12 через транзистор 14 и первичную полуобмотку 23 трансформатора 16, во второй полуобмотке 24 трансформатора 16 наводится ЭДС, открывающая диод 18, и происходит подзаряд конденсатора 13. Если напряжение на конденсаторе 13 будет больше, чем на конденсаторе 12, то включается транзистор 15 и конденсатор 13 разряжается на полуобмотку 23 трансформатора 16. ЭДС,
трансформированная во вторую первичную полуобмотку 24 трансформатора 16, открывает диод 17 и происходит подзаряд конденсатора 12. На выходных обмотках 25, 26 трансформатора 16 с помощью выпрямительных диодов 19, 20 формируется напряжение -12 В. На выходных обмотках 27, 28 трансформатора 16 с помощью выпрямительных диодов 21, 22 формируется напряжение -5 В. Стабилизация выходных напряжений производится напряжением обратной связи с выхода наиболее нагруженного канала электропитания системного блока компьютера, то есть с выхода +5 В. Это происходит следующим образом. В нормальном режиме, когда выходное напряжение аккумулятора соответствует его номинальному напряжению, оно подается непосредственно для формирования напряжений ±5 В, ±12 В. При разряде аккумулятора происходит снижение его выходного напряжения, что приводит к снижению выходных напряжений резервного источника электропитания компьютера, соответственно на выходных обмотках 34, 35 силового трансформатора 33 вольтдобавочного высокочастотного инвертора 9 появляются импульсы напряжения, длительность которых определяется отклонением выходного напряжения +5 В от опорного напряжения. Тем самым происходит стабилизация напряжения на выходе резервного источника электропитания компьютера при разряде аккумулятора, что значительно увеличивает время бесперебойной работы компьютера от резервного источника в случае аварии в основном источнике электропитания компьютера.