Como projetar um circuito de fonte de alimentação ininterrupta (UPS)

Neste breve tutorial, aprendemos como projetar um circuito UPS personalizado em casa usando componentes comuns, como alguns ICs NAND e alguns relés.

O que é um UPS

UPS, que significa fonte de alimentação ininterrupta, são inversores projetados para fornecer alimentação CA contínua a uma carga conectada sem a menor interrupção, independentemente de falhas repentinas ou flutuação de energia ou mesmo queda de energia.

Um UPS torna-se útil para PCs e outros equipamentos que envolvem o manuseio de dados críticos e não podem permitir a interrupção da alimentação durante uma operação de processamento de dados vital.

Para estes equipamentos, o UPS torna-se muito útil devido ao seu backup instantâneo de energia para a carga e por fornecer ao usuário tempo suficiente para salvar os dados cruciais do computador, até que a energia da rede elétrica real seja restaurada.

Isso significa que um no-break deve ser extremamente rápido com sua mudança da rede para o inversor (modo de backup) e vice-versa durante um possível mau funcionamento da rede elétrica.

Neste artigo, aprendemos como fazer um no-break simples com todos os recursos mínimos, garantindo que esteja em conformidade com os fundamentos acima e forneça ao usuário uma energia ininterrupta de boa qualidade durante o curso de suas operações.

Estágios UPS

Um circuito UPS básico terá as seguintes etapas fundamentais:

1) Um circuito inversor

2) Uma bateria

3) Um circuito de carregador de bateria

4) Um estágio de circuito de comutação usando relés ou outros dispositivos, como triacs ou SSRs.

Agora vamos aprender como os estágios do circuito acima podem ser construídos e integrados para a implementação de uma Sistema UPS .

Diagrama de bloco

Os estágios funcionais mencionados de uma unidade de fonte de alimentação ininterrupta podem ser compreendidos em detalhes através do seguinte diagrama de blocos:

Aqui podemos ver que a função principal de comutação do UPS é realizada por alguns estágios de relé DPDT.

Ambos os relés DPDT são alimentados por uma fonte de alimentação ou adaptador de 12 V AC para DC.

O relé DPDT do lado esquerdo pode ser visto controlando o carregador de bateria. O carregador de bateria é alimentado quando a rede CA está disponível por meio dos contatos do relé superior e fornece a entrada de carga para a bateria por meio dos contatos do relé inferior. Quando a rede CA falha, os contatos do relé mudam para os contatos N / C. Os contatos do relé superior DESLIGAM a energia para o carregador de bateria, enquanto os contatos inferiores agora conectam a bateria ao inversor para iniciar a operação no modo inversor.

Os contatos de relé do lado direito são usados ​​para mudar da rede elétrica CA para a rede elétrica CA do inversor e vice-versa.

Um design prático de UPS

Na discussão a seguir, tentaremos entender e projetar um circuito UPS prático.

1) O inversor.

Uma vez que um UPS tem que lidar com aparelhos eletrônicos cruciais e sensíveis, o estágio do inversor envolvido deve ser razoavelmente avançado com sua forma de onda, em outras palavras, um inversor de onda quadrada comum pode não ser recomendado para um UPS e, portanto, para nosso projeto, nos certificamos de que esta condição é adequadamente tratada.

Embora eu tenha postado muitos circuitos inversores neste site, incluindo sofisticado Tipos de onda senoidal PWM , aqui selecionamos um design completamente novo apenas para tornar o artigo mais interessante e adicionamos um novo circuito inversor na lista

O design do UPS utiliza apenas um único IC 4093 e ainda é capaz de executar uma boa onda senoidal modificada por PWM funções na saída.

Lista de Peças

• N1 --- N3 portas NAND de IC 4093
• Mosfets = IRF540
• Transformador = 9-0-9V / 10 amps / 220V ou 120V
• R3 / R4 = pot de 220k
• C1 / C2 = 0,1uF / 50V
• Todos os resistores são 1K 1/4 watt

Operação do circuito inversor

O IC 4093 consiste em 4 portas NAND tipo Schmidt , essas portas são configuradas apropriadamente e dispostas no circuito inversor mostrado acima, para implementar as especificações necessárias.

Uma das portas N1 é montada como um oscilador para produzir 200 Hz, enquanto outra porta N2 é instalada como o segundo oscilador para gerar pulsos de 50 Hz.

A saída de N1 é usada para direcionar os mosfets anexados a uma taxa de 200 Hz, enquanto a porta N2 junto com as portas adicionais N3 / N4, alterna os mosfets alternadamente na taxa de 50Hz.

Isso é para garantir que os mosfets nunca tenham permissão para conduzir simultaneamente a partir da saída de N1.

As saídas de N3, N4 quebram os 200 Hz de N1 em blocos alternados de pulsos que são processados ​​pelo transformador para produzir um PWM AC nos 220V pretendidos.

Isso conclui o estágio do inversor para nosso tutorial de fabricação de UPS.

A próxima etapa explica o circuito de relé de mudança e como o inversor acima precisa ser conectado aos relés de comutação para facilitar o backup automático do inversor e as operações de carregamento da bateria durante a falha da rede elétrica e vice-versa.

Estágio de troca do relé e circuito do carregador de bateria

A imagem abaixo mostra como a seção do transformador do circuito do inversor pode ser configurada com alguns relés para implementar a mudança automática para o projeto do UPS proposto.

A figura também mostra um circuito carregador de bateria automático simples usando o IC 741 no lado esquerdo do diagrama.

Primeiro, vamos aprender como os relés de transição são conectados e, em seguida, podemos prosseguir com a explicação do carregador de bateria.

Ao todo, existem 3 conjuntos de relés que são usados ​​neste estágio:

1) 2 nos de relés SPDT na forma de RL1 e RL2

2) Um relé DPDT como RL3a e RL3b.

O RL1 é conectado com o circuito do carregador de bateria e controla o corte de nível de carga de corte alto / baixo para a bateria e determina quando a bateria precisa estar pronta para ser usada no inversor e quando ela precisa ser removida.

O SPDT RL2 e o DPDT (RL3a e RL3b) são usados ​​para as ações de mudança instantâneas durante uma falha de energia e restauração. Os contatos RL2 são usados ​​para conectar ou desconectar a derivação central do transformador com a bateria, dependendo da disponibilidade ou ausência da rede elétrica.

RL3a e RLb que são os dois conjuntos de contatos do relé DPDT tornam-se responsáveis ​​por comutar a carga na rede do inversor ou na rede durante falhas de energia ou períodos de restauração.

As bobinas de RL2 e DPDT RL3a / RL3b são unidas com um 14V fonte de energia de modo que esses relés sejam ativados e desativados rapidamente, dependendo do status da rede de entrada, e façam as ações de mudança necessárias. Esta fonte de 14 V também é usada como fonte para carregar a bateria do inversor enquanto a alimentação está disponível.

A bobina do RL1 pode ser vista conectada com o circuito opamp que controla o carregamento da bateria da bateria e garante que a alimentação da bateria da fonte de 14V seja cortada assim que atingir o mesmo valor.

Também garante que, enquanto a bateria está no modo inversor e é consumida pela carga, seu nível de descarga inferior nunca fica abaixo de 11 V e corta a bateria do inversor quando atinge esse nível. Ambas as operações são executadas pelo relé RL1 em ​​resposta aos comandos opamp.

O procedimento de configuração para o circuito do carregador de bateria UPS acima pode ser aprendido neste artigo que discute como fazer um carregador de bateria de corte alto baixo usando IC 741

Agora ele simplesmente precisa integrar todos os estágios acima para executar um pequeno no-break de aparência decente, que pode ser usado para fornecer energia ininterrupta ao seu PC ou qualquer outro dispositivo semelhante.

Isso conclui nosso tutorial para projetar um circuito UPS pessoal que pode ser feito facilmente por qualquer novo amador seguindo o guia detalhado acima.