EA001090B1

EA001090B1 - Источник бесперебойного питания

Info

Publication number: EA001090B1
Application number: EA199800884A
Authority: EA
Inventors: Айра С. Фейбермэн; Флойд Миллз
Original assignee: Силверлайн Пауэр Конвершн, Ллк.
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2000-10-30
Also published as: CZ349198A3; US5978236A; WO1998034314A1; ID23796A; AU6259498A; EP0901699A4; HUP0001973A2; AU731873B2; EP0901699A1; CA2258340A1; EA199800884A1

Description

Данное изобретение относится к источникам бесперебойного питания.

Уровень техники

Электронное оборудование, которое является зависимым от состояний и которое получает электрическую энергию от сетевого напряжения, обеспечиваемого энергетическими компаниями через распределительную сеть, в значительной степени подвержено повреждению системы и потере данных при нарушении непрерывности снабжения энергией. Это не новая проблема и решения в виде источников бесперебойной энергии, которые стабилизируют энергию сети, поступающую к чувствительному оборудованию, известны в течение многих лет. Эти устройства разделяются на две категории: резервные источники питания и подлинные источники бесперебойного питания. Каждая из этих категорий устройств решает одну и ту же проблему и обе категории принято называть источниками бесперебойного питания. Общим для этих двух категорий устройств является то, что они получают энергию от сети переменного тока и на выходе дают энергию, функционально эквивалентную энергии сети переменного тока.

В резервном источнике питания энергия сети переменного тока подается прямо на выход до тех пор, пока энергия сети является достаточной. Затем, реагируя на обнаружение отсутствия поступления достаточной энергии от сети, источник вырабатывает резервную энергию за счет группы батарей и подает ее на выход. Подлинный источник бесперебойного питания имеет центральную шину постоянного тока, которая снабжается энергией батарей и/или выпрямленным током сети переменного тока, если она присутствует. Энергия от центральной шины постоянного тока непрерывно инвертируется и подается на выход батарейного источника питания. Большая стабильность выходного напряжения, благодаря полной независимости от флуктуаций напряжения сети, вместе с устранением устройств, чувствительных к качеству энергии сети, делают подлинный источник бесперебойного питания более надежной формой источника бесперебойного питания, чем резервный источник питания.

Все настольные и малые компьютерные системы сегодня имеют интегрированные источники питания постоянного тока, встроенные в них. Эти источники предназначены для получения напряжения от сети переменного тока и преобразования его в различные изолированные от сети выходные постоянные напряжения, требуемые для устройств компьютера. В настоящее время малые компьютерные системы и источники бесперебойного питания, которые часто используются, чтобы обеспечить стабильность работы, вообще являются отдельными компонентами или приборами. Это значит, что энергия сети от главных магистралей проходит через физически и электронно отдельные источники бесперебойного питания, независимо от того, являются они резервными источниками питания или подлинными источниками бесперебойного питания. Источник бесперебойного питания на входе получает энергию от сети переменного тока и обеспечивает на выходе также переменный ток, часто с промежуточной ступенью, на которой энергия преобразуется в постоянное напряжение. Это переменное выходное напряжение затем подводится к обычному входу переменного тока компьютерной системы. Такое устройство имеет много неудобств, из которых наиболее ощутимым является то, что бесперебойный источник питания должен иметь отдельную электронную схему для источника питания, которая часто аналогична подобной схеме, которая уже присутствует в компьютерном источнике питания.

Внешние источники бесперебойного питания имеют ряд недостатков при их использовании. Например, эти системы по своей сути дороги из-за использования избыточных частей (электронных схем, соединителей, корпусов). Дополнительное количество преобразований энергии также приводит к дополнительным потерям энергии. Далее, эти системы внешних источников бесперебойного питания требуют использования дополнительных площадей на полу или на столах, наряду с необходимостью использования дополнительных кабелей питания для соединения их с компьютером.

Наконец, для компьютера полезно знать об уменьшении мощности сети, чтобы могли быть предприняты шаги по защите информации в компьютере от возможной ее потери, когда батарейное питание в источнике бесперебойного питания истощится. Без некоторого определенного сообщения об уменьшении мощности сети, компьютер, получающий энергию от источника бесперебойного питания, не будет подготовлен к возможности полной потери энергии из-за истощения батарей.

Для того чтобы компенсировать этот недостаток, внешние источники бесперебойного питания часто имеют устройства для последовательной связи, которые соединяются с внешним последовательным портом компьютерной системы. Однако, так как многие компьютерные системы снабжены только одним или, возможно, двумя внешними последовательными портами, эта линия связи между компьютером и источником бесперебойного питания истощает скудные ресурсы. Источник бесперебойного питания, внутренний по отношению к компьютеру, вообще был бы полезен, но предшествующие попытки наталкивались на ряд технологических барьеров. Например, компьютерные корпуса часто бывают компактны и большие батареи большинства источников бесперебойного питания было бы нелегко разместить в их ограниченных объемах. Далее, если беспере3 бойный источник питания является внутренним для компьютера, но внешним для источника питания компьютера, энергия от источника бесперебойного питания должна подаваться обратно к источнику питания таким образом, чтобы быть снова поданной на обычную компьютерную электронику. В дополнение к этому, внутренний источник бесперебойного питания имеет тот недостаток, что батареи источника бесперебойного питания должны быть доступны для замены, когда истечет срок их работы (особенно свинцово-кислотные батареи, которые имеют ограниченное время жизни) или когда нужно утилизовать компьютер, из-за токсичных материалов, используемых во многих батареях. Другое ограничивающее свойство внутреннего источника бесперебойного питания состоит в том, что его батареи обычно не подлежат горячей замене, то есть батареи не могут быть заменены без выключения компьютера. Это свойство особенно важно для компьютеров-серверов, которые, вследствие их использования большим количеством пользователей, должны поддерживаться в рабочем состоянии.

Для того чтобы решить эти проблемы с внутренними источниками бесперебойного питания, делались попытки интегрировать источник бесперебойного питания в компьютерный источник питания. В таком устройстве механические или электрические компоненты источника питания могут быть использованы для источника бесперебойного питания, и источник бесперебойного питания может легко отдавать энергию на обычный выход источника питания.

Патент США № 5.289.045 и патент США № 4.860.185 можно отнести к предшествующим способам внедрения функций источника бесперебойного питания в компьютерные источники питания. Эти патенты описывают устройства, в которых схемы источника бесперебойного питания включаются непосредственно в электронные схемы преобразования переменного тока в постоянный в компьютерном источнике питания. Эти устройства, однако, имеют многочисленные недостатки, такие как требование значительных модификаций электронных схем компьютерного источника питания. Далее, эти устройства не являются подлинными источниками бесперебойного питания, а включаются в цепь питания, когда обнаружен перебой в сети. В дополнение к этому, только минимальная мощность является доступной для перезаряда батарей источника бесперебойного питания после их разряда, из-за чего имеется промежуток времени, в течение которого компьютерная система остается уязвимой для последующих перебоев в питании.

Цель изобретения состояла в том, чтобы создать подлинный источник бесперебойного питания, который может поместиться внутри существующего компьютерного источника питания, недорог в изготовлении, обеспечивает достаточное время работы компьютерной системы от энергии источника бесперебойного питания, чтобы важные данные могли быть надежно сохранены, и имеет другие качества, соответствующие требованиям многих пользователей систем источников бесперебойного питания, которые в настоящее время не удовлетворяются. Целью было решить проблемы известных устройств, что привело к созданию настоящего изобретения.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который помещается преимущественно внутри корпуса компьютерного источника питания.

В дополнение к этому, целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который может быть установлен без открытия корпуса компьютера.

Другой целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который позволяет осуществлять горячую замену.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который недорог при его эксплуатации.

Далее, целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания с ограниченным числом электрических соединений с компьютерным источником питания, в котором он расположен.

Также целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который является подлинным непрерывно действующим источником бесперебойного питания.

Дополнительно целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, чьи батареи могут быть заряжены быстро, так что источник бесперебойного питания может вернуться к своему обеспечивающему защиту состоянию вскоре после того, как его батареи истощились.

Далее, еще одной целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который соединяется внутри корпуса компьютера с компьютером, который он защищает.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который информирует пользователя о том, что он функционирует.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который обеспечивает электрической энергией периферийные устройства компьютера, внешние по отношению к компьютеру.

Далее, целью настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, который предупреждает пользователя, если охлаждающая система компьютерного источника питания не работает нормально.

Дополнительные цели, преимущества и новые качества этого изобретения будут представлены ниже и будут очевидны специалистам из следующего описания или могут быть изучены на практике в результате применения этого изобретения. Цели и преимущества этого изобретения могут быть достигнуты с помощью средств, их комбинаций и способов, указанных в формуле изобретения.

Чтобы достичь целей настоящего изобретения, предлагается источник бесперебойного питания для источника энергии постоянного тока, содержащий (a) возобновляемый источник запасенной энергии, который может расходовать и запасать энергию в форме электрической энергии постоянного тока, и (b) двунаправленный преобразователь энергии для соединения источника запасенной энергии с источником энергии постоянного тока, причем преобразователь энергии непрерывно работает, направляя энергию либо к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, либо к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, а направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.

Возобновляемый источник запасенной энергии предпочтительно является перезаряжаемой батареей.

Источник энергии постоянного тока предпочтительно является источником выпрямленного напряжения на входе импульсного источника питания.

Энергия, направляемая между источником энергии постоянного тока и источником запасенной энергии, предпочтительно существует в форме электрического тока, причем указанный преобразователь энергии содержит средства управления величиной тока, направляемого к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии или к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока.

Указанные средства управления величиной тока могут быть выполнены в виде средств широтно-импульсной модуляции.

Указанные средства управления величиной тока могут быть выполнены в виде средств модуляции коэффициента заполнения при по существу постоянной частоте импульсов по существу постоянной ширины.

Указанные средства управления величиной тока могут быть выполнены в виде средств частотной модуляции при по существу постоянной ширине импульсов.

Возобновляемый источник запасенной энергии предпочтительно выполнен с возможностью отсоединения от двунаправленного преобразователя энергии без перерыва в нормальной работе устройств, которые получают энергию от источника энергии постоянного тока.

Двунаправленный преобразователь энергии предпочтительно выполнен с возможностью отсоединения от источника энергии постоянного тока без перерыва в нормальной работе устройств, которые получают энергию от источника энергии постоянного тока.

Когда двунаправленный преобразователь энергии отсоединяется от источника энергии постоянного тока, двунаправленный преобразователь энергии предпочтительно содержит менее 75% запасенной энергии источника энергии постоянного тока.

Величина электрического тока, который может протекать в направлении источника запасенной энергии, может быть больше 10 А.

Источник запасенной энергии может быть соединен параллельно со вторым источником запасенной энергии.

Второй источник запасенной энергии может быть присоединен через устройство с однонаправленным пропусканием тока.

Второй источник запасенной энергии предпочтительно является возобновляемым.

Источник энергии постоянного тока может быть источником питания компьютера, расположенным в компьютере.

Источник бесперебойного питания может быть помещен внутри кожуха источника питания компьютера.

Источник бесперебойного питания может обнаруживать нарушение охлаждения источника питания компьютера, в котором он находится, и вызывать формирование сигнала предупреждения из набора, включающего звуковые и визуальные сигналы.

Источник бесперебойного питания может быть выполнен с возможностью его удаления из источника питания компьютера при нахождении последнего во включенном состоянии.

Возобновляемый источник запасенной энергии может быть выполнен с возможностью его удаления при включенном источнике питания.

К источнику бесперебойного питания предпочтительно имеется доступ извне компьютера.

К возобновляемому источнику запасенной энергии также предпочтительно имеется доступ извне компьютера.

Возобновляемый источник запасенной энергии может быть соединен с источником питания компьютера электрическим кабелем, по меньшей мере часть которого является внешней по отношению к источнику питания компьютера, и который не является силовым кабелем сети переменного тока.

Источником энергии постоянного тока может быть неотфильтрованный выход импульсного источника питания.

Энергия, направляемая к возобновляемому источнику запасенной энергии, извлекается из неотфильтрованного выходного напряжения обмотки трансформатора импульсного источника питания.

Часть энергии может отводиться от двунаправленного преобразователя энергии для использования внешними электрическими устройствами.

Отвод энергии может осуществляться путем использования по меньшей мере одной обмотки трансформатора.

Единый электронный компонент может использоваться одновременно как предохранитель и как резистор, на котором падает напряжение, пропорциональное току, текущему в возобновляемый источник запасенной энергии.

Указанный преобразователь энергии предпочтительно содержит средства регулировки тока, восстанавливающего энергию возобновляемого источника, в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

Указанный преобразователь энергии предпочтительно содержит средства определения направления тока в возобновляемом источнике запасенной энергии в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

Указанный преобразователь энергии предпочтительно содержит средства определения того, является ли уровень тока, текущего в возобновляемом источнике запасенной энергии, по меньшей мере заранее заданным уровнем тока, в соответствии с напряжением, падающем на электрическом компоненте.

Указанный преобразователь энергии может содержать средства модификации заранее заданного значения, характеризующего приближение истощения энергии возобновляемого источника запасенной энергии, в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

Источник бесперебойного питания может содержать электрический компонент, включенный так, что на нем формируется напряжение, пропорциональное току, протекающему в возобновляемом источнике запасенной энергии, и средства модификации заранее заданного значения, характеризующего приближение истощения энергии возобновляемого источника запасенной энергии, в соответствии с указанным напряжением.

Источник бесперебойного питания может содержать средства предотвращения начала его работы в случае отсутствия напряжения на источнике энергии постоянного тока и отсутствия сигнала от компьютера, подтверждающего включение оборудования питания.

Источник бесперебойного питания может содержать средства прекращения работы при отсутствии сигнала, подтверждающего включение оборудования питания.

Связь источника бесперебойного питания с материнской платой компьютера может осуществляться через кабель, предназначенный для соединения с внутренними периферийными устройствами.

Связь источника бесперебойного питания с материнской платой компьютера может осуществляться через параллельное соединение с механическим выключателем, используемым для отключения системы.

Источник питания предпочтительно может генерировать звуковые сигналы, которые воспроизводятся громкоговорителем компьютерной системы, причем провода, соединяющие источник бесперебойного питания с громкоговорителем, подключены параллельно другим проводам, присоединенным к громкоговорителю.

Настоящее изобретение также относится к способу обеспечения источника энергии постоянного тока резервной энергии, в соответствии с которым (а) используют источник возобновляемой запасенной энергии, который (б) соединяют с источником энергии постоянного тока таким образом, чтобы направлять энергию или к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, или к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, причем направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.

Настоящее изобретение также относится к устройству для обеспечения источника энергии постоянного тока резервной энергией, содержащему (а) средства создания источника возобновляемой запасенной энергии и (б) средства соединения возобновляемого источника запасенной энергии с источником энергии постоянного тока таким образом, чтобы направлять энергию либо к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, либо к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, причем направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет блок-схему первого варианта осуществления настоящего изобретения на примере типичного источника питания, использующего в качестве источника перемен9 ный ток и передающего энергию в виде постоянного тока на три отдельных выхода.

Фиг. 2 является упрощенной блок-схемой двунаправленного преобразователя энергии, показанного на фиг. 1, также включающей схемы для обеспечения вспомогательного выходного напряжения постоянного тока.

Фиг. 3 а является упрощенной блок-схемой двунаправленного преобразователя энергии, показанного на фиг. 1, где показаны дополнительные схемы, предназначенные для ограничения заряда батареи.

Фиг. 3Ь является временной диаграммой, на которой представлены сигналы, которые управляют протеканием тока в схемах фиг. 3 а.

Фиг. 4 является более детальной схемой бесперебойного источника питания, включающего двунаправленный преобразователь энергии, показанный на фиг. 3а.

Фиг. 5 является блок-схемой второго варианта осуществления изобретения.

Фиг. 6 является упрощенной блок-схемой источника питания с двойным выходом, с интегрированным источником бесперебойного питания, как показано на фиг. 5.

Фиг. 7а-7б являются блок-схемами источника питания для электронного оборудования с различной степенью физической интеграции с источником бесперебойного питания и его батареями.

Фиг. 8 является блок-схемой цепи, в которой предохранитель батареи используется как токовый шунт.

Фиг. 9а и 9Ь являются блок-схемами различных форм связи между компьютером и источником бесперебойного питания, как может быть выполнено в настоящем изобретении.

Фиг. 10а является схемой, показывающей главную аккумуляторную батарею, соединенную параллельно с поддерживающей батареей, чтобы продлить время работы основной аккумуляторной батареи.

Фиг. 1 0Ь является схемой, показывающей основную аккумуляторную батарею, соединенную параллельно с поддерживающей батареей, как на фиг. 1 0а, за исключением того, что резервная батарея в этом случае является перезаряжаемой батареей.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения Функциональный обзор

Источник бесперебойного питания в настоящем изобретении служит для защиты электронного оборудования во время прекращения подачи энергии, снабжая оборудование электрической энергией от источника запасенной энергии (обычно химической батареи). Хотя таким оборудованием, защищаемым источником бесперебойного питания, зачастую является компьютер, оно может также включать другие важные электронные устройства, включая медицинскую аппаратуру, кассовые аппараты или телекоммуникационное оборудование. Хотя изобретение может быть использовано для многих устройств, здесь использование изобретения будет описано, главным образом, по отношению к компьютеру.

Источник бесперебойного питания в настоящем изобретении включает двунаправленный преобразователь энергии, который преобразует первое напряжение постоянного тока во второе напряжение постоянного тока или второе напряжение постоянного тока в первое напряжение постоянного тока. Этот преобразователь работает без чувствительных схем, реле, переключателей или их модификаций. Настоящее изобретение также обеспечивает управление, пропорциональное току, чтобы регулировать ток в нагрузке.

Фиг. 1 является блок-схемой типичного источника питания, использующего источник переменного тока и передающего энергию постоянного тока на три отдельных выхода, в которой используется двунаправленный преобразователь энергии. Как можно видеть, входное напряжение переменного тока во входном узле Е1А выпрямляется выпрямителем Ό1Α и фильтруется фильтром Ρ1Α в узле Е2А, также известном как шина постоянного тока, где оно становится источником энергии для преобразователя Т1А постоянного тока в переменный ток. Преобразователь Т1А постоянного тока в переменный может быть выполнен по любой подходящей схеме, которая может преобразовывать напряжение в Е2А в напряжение, пригодное для нагрузок на одном или более выходах Е5А, Е6А и Е7А, после выпрямления группой выпрямителей Ό2Α, Ό3Α и Ό4Α и фильтрации фильтрами Ρ2Α, Ρ3Α, Ρ4Α.

Для примера, можно допустить, что входное переменное напряжение в точке Е1А является обычным напряжением 120 В бытовой сети переменного тока. Выпрямляющий блок преобразует это напряжение в постоянное напряжение на шине Е2А постоянного тока, приблизительно равное 330 В. Преобразователь Т1А постоянного тока в переменный ток обеспечивает подходящее выходное напряжение при входном напряжении на шине постоянного тока Е2А, которое может изменяться в диапазоне напряжений. Допустим для данного примера, что преобразователь Т1А постоянного тока в переменный ток может работать в диапазоне напряжений от 330 до 230 В постоянного напряжения, обеспечивая при этом выходное напряжение, пригодное для нагрузки.

Двунаправленный преобразователь энергии 33, также известный, как схема источника бесперебойного питания, в данном примере имеет номинальное отношение преобразуемых напряжений, равное 1:30. Таким образом, преобразователь 33 может преобразовывать номинальное постоянное напряжение 8 В в узле Е4А в постоянное напряжение 240 В. Подобным же образом, с этим фиксированным отношением, напряжение, появляющееся в узле Е3А и равное 330 В постоянного напряжения при питании от сети, будет преобразовано в 11 В постоянного напряжения в узле Е4А. Если батарея 31 источника бесперебойного питания с номинальным напряжением на зажимах 8 В присоединена к узлу Е4А, она будет заряжаться более высоким потенциалом в узле Е4А, обусловленным напряжением в узле Е2А, когда сеть в узле Е1А дает энергию.

Когда подача мощности от сети во входном узле Е1А прервана, двунаправленный преобразователь энергии В1А преобразует потенциал батареи В2А, равный 8 В постоянного напряжения в узле Е4А, в 240 В постоянного напряжения в узле Е2А, таким образом непрерывно обеспечивая энергией преобразователь Т1А постоянного тока в переменный ток, даже при перерыве подачи энергии от сети на входе.

Фиг. 2 является упрощенной блок-схемой двунаправленного преобразователя энергии. Выходное напряжение генератора И2В разделяется триггером и1В на два взаимно дополнительных управляющих сигнала. Множество переключателей 81В, 82В, 83В и 84В являются двунаправленными переключателями, реагирующими на эти управляющие сигналы таким образом, что положительный сигнал заставляет переключатель замкнуться. Переключатели δ 1В и 82В замыкаются попеременно сигналами фазы А и В от выхода триггера и 1В. Переключатели 81В и 82В попеременно пропускают напряжение Е4В батареи В1В через обмотки трансформатора Т1В:А и Т1В:В, соответственно, так, чтобы получить переменную полярность магнитного потока в сердечнике трансформатора Т1В и, следовательно, переменную полярность напряжения на обмотке Т1В:С трансформатора.

Для иллюстрации допустим, что сетевой источник энергии, который в норме существует между парой узлов Е1В и Е2В, был прерван. Когда переключатель 81В замыкается, напряжение подается на обмотку Т1В:А трансформатора с такой полярностью, что знак полярности на обмотке Т1В:А трансформатора - положительный. Напряжение, индуцированное на обмотке Т1В:С трансформатора, также положительно при положительной полярности. Переключатель 83В замкнут синхронно с переключателем 81В, замыкая обмотку Т1В:С трансформатора на конденсатор С2В и заряжая конденсатор С2В до напряжения Е4В батареи, умноженного на отношение числа витков обмоток трансформатора Т1В. В данном примере, пусть напряжение Е4В батареи равно 8 В постоянного тока, а отношение числа витков обмотки трансформатора Т1В равно 1:15. Следовательно, напряжение, передаваемое на конденсатор С2В, равно 8· 15=120 В постоянного напряжения. Во время второй половины периода переключатели

81В и 83В разомкнуты, а переключатели 82В и 84В замкнуты. Это изменяет полярность всех обмоток трансформатора Т1В, присоединяет конденсатор С1В к обмотке Т1В: С трансформатора и заряжает конденсатор С1В до 120 В постоянного напряжения. Суммарное напряжение на конденсаторах С1В и С2В равно 240 В постоянного тока (120+120 В).

Теперь допустим, что энергия сети снова стала поступать и зарядила конденсаторы С1В и С2В до общего суммарного постоянного напряжения 330 В. Допустим также, что напряжение в точке соединения С1В и С2В составляет 50% от напряжения сети, или 165 В постоянного напряжения. Переключатели 81В и 83В затем замыкаются. Переключатель 83В соединяет обмотку Т1В:С трансформатора с конденсатором С2В и передает 1 65 В постоянного напряжения на обмотку Т1В:С трансформатора. Обмотка Т1В: А также соединена с батареей В1В переключателем 81. Напряжение, появляющееся на обмотке Т1В:А трансформатора, равно 165 В/15=11 В постоянного напряжения. В следующую половину периода переключатели 82В и 84В закрываются, изменяя на обратные все полярности на трансформаторе Т1В и соединяя обмотку ТГВ:В с батареей. Это напряжение выше, чем нормальное напряжение на клеммах батареи В1В (8 В постоянного тока), и, следовательно, заряжает батарею В1В. Индуктивность утечки, предусмотренная в трансформаторе Т1 между обмотками, ограничивает ток заряда.

Фиг. 3а является упрощенной схемой, которая показывает дополнительную цепь, предназначенную для активного ограничения заряда, поступающего к батарее В1В, но в других отношениях подобна цепи, показанной на фиг. 2. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) И2С введен между переключателями 81В и 83В, а также между переключателями 82В и 84В. Модулятор И2С чувствителен к выходному напряжению усилителя ошибки И1С, который, в свою очередь, чувствителен к разности между напряжением Е4В батареи В1В и опорным напряжением на диоде И1С. Когда сетевой источник энергии присутствует между клеммами Е1В и Е2В, батарея В1В будет заряжаться, как показано на фиг. 2, пока напряжение Е4В батареи В1В не превысит опорное напряжение на диоде И1С. Усилитель ошибки И1С затем заставляет широтно-импульсный модулятор И2С уменьшать длительность состояния проводимости переключателей 83В и 84В. Уменьшенное время проводимости уменьшает среднее значение тока, текущего к батарее В1В и, следовательно, ограничивает заряд. Фиг. 3Ь является временной диаграммой, которая представляет с общей горизонтальной осью времени сигналы при фазах А, А1, В и В1, которые регулируют протекание тока в цепи.

Дополнительная цепь, показанная на фиг. 3 а, приведена только в целях иллюстрации. Для специалистов будет понятно, что разные типы батарей (например, цинково-кислотные или никель-кадмиевые батареи) требуют различных зарядных устройств. Фиг. 3а только демонстрирует способность двунаправленного преобразователя энергии управлять протеканием тока, в данном случае как функцией напряжения батареи, хотя много других параметров батареи, таких как зарядный ток или температура, могут регулироваться таким образом. Подобным же образом переключатели §3В и §4В могли быть промодулированы в ответ на требования к выходному току в узле Е2В, когда подача основной энергии прервана. На фиг. 3 а регулирующая схема воздействует только на ток, заряжающий батарею. Специалистам должно быть очевидно, что подобная схема может быть выполнена так, чтобы ограничивать ток, текущий от батареи. Эти две схемы могут сосуществовать внутри одной и той же цепи, так что ток, текущий в любом направлении, может быть промодулирован.

Следует заметить, что в настоящем изобретении широтно-импульсный модулятор И2С может быть заменен модулятором коэффициента заполнения, который в ответ на сигналы от усилителя ошибки И1С определяет отношение импульсов по существу постоянной частоты и ширины к отсутствующим импульсам в последовательности импульсов. В качестве альтернативы, током можно управлять с помощью многих других средств, известных ранее, включая частотную модуляцию, когда цепь содержит реактивные и/или резонансные компоненты, соединенные последовательно или параллельно с нагрузкой, где изменение частоты в диапазоне частотной модуляции по существу модулирует реактанс компонентов. Одним из примеров частотно-модулированного управления была бы замена генератора И2В генератором переменной частоты, реагирующим на сигнал усилителя ошибки ШС. Чтобы обеспечить управление током в зависимости от частоты, индуктивность может быть включена последовательно с обмоткой Т1В:С трансфортатора, и емкость может быть включена параллельно с обмоткой Т1В:С трансформатора. Значения индуктивности и емкости выбираются так, чтобы их электрический резонанс наступал на минимальной частоте, генерируемой генератором переменной частоты, или ниже ее. Для специалистов должно быть очевидно, что эта емкость и индуктивность образуют фильтр нижних частот и что увеличение частоты генератора переменной частоты приводит к увеличению импеданса индуктивности и одновременному уменьшению емкостного сопротивления конденсатора, отводя энергию от обмотки Т1В: С трансформатора и, таким образом, уменьшая ток, текущий в батарею В1В.

Подробное описание изобретения

Фиг. 4 является более подробной схемой бесперебойного источника питания, включающего двунаправленный преобразователь энергии согласно настоящему изобретению. Генератор ИН приводит мощные полевые МОПтранзисторы ОН и 021 в проводящее состояние попеременно. Сигналы полной ширины импульса в узлах ЕН и Е21 передаются широтноимпульсному модулятору И41. Широтноимпульсный модулятор И41 передает управляющие сигналы к высоковольтному возбудителю И21 синхронно с сигналами Е11 и Е21, который попеременно заставляет мощные полевые МОП-транзисторы 031 и 041 переходить в проводящее состояние синхронно с полевыми МОП-транзисторами ОН и 021. Подбор полярностей обмоток трансформатора ТН, в сочетании с полярностями управляющих сигналов, поступающих на мощные полевые МОПтранзисторы ОН, 021, 031 и 041, таков, что проводимость каждой пары транзисторов находится в фазе с напряжением, появляющимся на обмотках трансформатора ТН. Таким образом, когда полевой МОП-транзистор ОН проводит ток, полевой МОП-транзистор 031 также проводит ток. Также, когда полевой МОПтранзистор 021 проводит ток, 041 тоже проводит ток.

Когда напряжение присутствует на батарее В11, мощные полевые МОП-транзисторы ОН и 021 передают напряжение на батарее В11 к обмоткам Т11:А и Т11:В трансформатора попеременно. Максимальное напряжение на обмотках Т11:А и Т11:В трансформатора, умноженное на отношение числа витков обмоток Т11:А к Т11:С, равняется размаху напряжения на обмотке Т11:С трансформатора. Диоды на подложках кристаллов, которые являются неотъемлемой частью полевых МОП-транзисторов 031 и 041, проводят попеременно, выпрямляя размах напряжения на обмотке Т11:С трансформатора для источника энергии постоянного тока. Усредняющий конденсатор С11 подает на обмотку Т11:С трансформатора потенциал, равный половине напряжения источника энергии постоянного тока между узлами Е31 и Е41. Если напряжение источника энергии постоянного тока отсутствует или меньше, чем то, которое будет выпрямлено полевыми МОП-транзисторами 031 и 041, энергия потечет в источник энергии постоянного тока. Так как полевые МОП-транзисторы 031 и 041 находятся в проводящем состоянии синхронно с МОП-транзисторами ОН и 021 и так как МОП-транзисторы в проводящем состоянии проводят при обеих полярностях тока, диоды на подложках полевых МОП-транзисторов 031 и 041 шунтированы соответствующей проводимостью канала полевого МОПтранзистора, и эффективность выпрямления улучшается.

Когда напряжение источника энергии постоянного тока присутствует на узлах Е31 и Е41, полевые МОП-транзисторы 031 и 041 передают напряжение на обмотку Т11:С трансформатора.

Размах напряжения на обмотке Т1ТС трансформатора, умноженный на отношение числа витков обмотки Т11:С к числу витков обмотки ТН:А, проявляется как максимум напряжения на обмотках Т1РА и Т1ТВ трансформатора, соответственно. Диоды на подложках, которые являются частью полевых МОП-транзисторов ЦП и 021. проводят попеременно, выпрямляя максимальное напряжение на обмотках ТИ:А и Т11:В трансформатора и направляя его к батарее ВИ. Если на батарее ВИ присутствует напряжение, которое меньше, чем то, которое будет выпрямлено полевыми МОП-транзисторами 011 и 02Г энергия потечет в батарею ВИ. Так как полевые МОП-транзисторы ЦП и 021 проводят синхронно с полевыми МОП-транзисторами 031 и 041 и так как полевые МОПтранзисторы в проводящем состоянии проводят при обеих полярностях тока, диоды на подложках полевых МОП-транзисторов ЦП и 021 шунтированы соответствующей проводимостью канала полевого МОП-транзистора, и эффективность выпрямления улучшается.

Таким образом, можно видеть, что схема легко преобразует напряжения постоянного тока в напряжения постоянного тока в любом направлении. Направление потока энергии определяется отношением напряжений постоянного тока, по сравнению с внутренним отношением преобразователя, которое определяется отношением числа витков обмоток трансформатора Т11.

Модуляция величины тока, текущего в батарею В И, выполняется путем регулирования напряжения на объединенном предохранителе и токочувствительном резисторе Р11. Усилитель ошибки И31 сравнивает это напряжение с опорным напряжением (ИКЕЕ), подводимым к усилителю ошибки И31 от контроллера заряда. Усилитель ошибки И31 и компоненты, определяющие диапазон рабочих частот, включающие резистор К11 и конденсатор С3, подводят сигнал ошибки к широтно-импульсному модулятору И41, который может уменьшать, если необходимо, ширину импульсов, поступающих от генератора Ш1 через линии Е11 и Е2Т Результирующие модифицированные импульсы подаются на высоковольтный возбудитель И2Т и импульсы с его выхода используются для управления временем, в течение которого мощные полевые МОП-транзисторы 031 и 041 проводят ток. Проводимость мощных полевых МОПтранзисторов модулирует ток, выпрямленный в мощных полевых МОП-транзисторах ЦП и 021 и направляемый к батарее ВИ. Посредством этого ток, текущий в батарею ВИ, регулируется.

Когда энергия вытекает из батареи ВИ, полярность тока будет противоположна полярности, при которой батарея ВИ получает заряд. Эта полярность тока порождает другую полярность на предохранителе Е1Т Это изменение полярности отмечается компаратором И5Т Делитель напряжения из резисторов К21 и К.31 обеспечивает напряжение, которое является алгебраической суммой опорного напряжения и напряжения на предохранителе Е1Т Когда ток течет от батареи ВИ, это суммарное напряжение ниже нуля (потенциала земли), выходное напряжение компаратора И51 изменяет свое состояние. Это возвращает управляющую цепь И31 в исходное состояние и снимает команду запрета, которая была установлена на возбудителе И91 громкоговорителя через оптрон И8Т Возбудитель И91 громкоговорителя формирует возбуждающие звуковые сигналы, которые передает через громкоговоритель, предупреждая пользователя о присутствии неполадки в питании и указывая на действие источника бесперебойного питания по защите энергозависимой информациии в компьютере.

Компаратор И61 чувствителен к току, вытекающему из батареи ВИ, благодаря токочувствительному резистору и предохранителю Е1Т Резистор К41 и резистор К51 образуют делитель напряжения, который подводит к компаратору И61 алгебраическую сумму опорного напряжения и напряжения, падающего на предохранителе Е1Т Когда ток, текущий от батареи ВИ, превышает заранее заданное значение, это напряжение равно нулю или более отрицательно, чем нуль, выход компаратора И61 изменяет состояние. Выход компаратора И61 дает запрет на работу генератора ИИ, прекращая дальнейшую работу и прекращая затем избыточный ток. Более того, если предохранитель ЕИ разомкнет цепь, благодаря избыточному току, напряжение в точке соединения резисторов К41 и К51 будет существенно отрицательным, также изменяя состояние выхода компаратора И61 и запрещая дальнейшую работу схемы.

Работа схемы также будет запрещена, если выход компаратора И61 изменит состояние благодаря чрезмерным температурным изменениям, которые ощущаются делителем напряжения, состоящим из резистора К61 и термистора К71, который физически размещен так, чтобы определять температуру. Когда выход компаратора изменяет состояние из-за чрезмерной температуры, дальнейшая работа запрещена, пока температура не уменьшится.

Компаратор И71 чувствителен к напряжению на батарее ВИ. Когда энергия вытекает из батареи ВИ, напряжение на батарее уменьшается. В некоторой точке можно сказать, что напряжение указывает на то, что в батарее остается мало энергии. Компаратор И71 определяет эту точку путем сравнения этого напряжения с опорным напряжением ИКЕЕ на диоде Ό11. Когда компаратор И71 чувствует, что напряжение ВИ на батарее равно или меньше опорного напряжения, выход компаратора И71 изменяет состояние. Это подает сигнал к другому оборудованию через оптрон И81 и инициирует начало обычных процедур отключения системы, прежде чем батарея ВИ полностью истощится.

Напряжение на батарее ВН является функцией остающейся энергии в батарее ВН и тока разряда, уменьшающего кажущееся напряжение на ней, вследствие наличия внутреннего импеданса батареи ВИ Это означает, что ряд напряжений на батарее может соответствовать одной и той же остающейся энергии из-за разнице в токе разряда. Так как на предохранителе РН падает напряжение, пропорциональное этому самому току, напряжение на предохранителе РП может быть использовано, чтобы компенсировать внутренний импеданс батареи ВН с помощью регулировки точки обнаружения компаратора И71 для диапазона токов разряда. Чтобы осуществить это, анод опорного диода Ό1 соединен с токочувствительной стороной предохранителя РН. Полярность напряжения на предохранителе РН такова, что увеличение тока разряда вызывает увеличение отрицательного значения напряжения. Это отрицательное напряжение, пропорциональное току в батарее В Н, сдвинуто по уровню диодом ΌΗ и вычитается из опорного напряжения, используемого как база для сравнения компаратором И71, чтобы определить начало истощения энергии. Зная заранее среднее значение импеданса батареи В Н, можно установить относительные величины параметров схемы так, чтобы компенсировать внутренний импеданс батареи В1Т Этот способ понижает точку срабатывания компаратора И71 в том же отношении к току, в каком напряжение батареи снижается при этом токе.

Резистор К81 устанавливает небольшой ток, который запускает генератор ШТ Следовательно, генератор ИН не запустится, если не присутствует источник энергии постоянного тока. Оптрон И41 получает сигнал от питаемого оборудования и позволяет генератору ИН работать только в том случае, если присутствует сигнал, показывающий, что оборудование включено.

Второй вариант осуществления настоящего изобретения

Первый вариант осуществления настоящего изобретения использует двунаправленный преобразователь энергии, который присоединяется к источнику питания. Во втором варианте используется подобная схема, включающая двунаправленный преобразователь энергии, однако точкой соединения между двунаправленным преобразователем и источником питания компьютера теперь является неотфильтрованный выход импульсного источника питания.

Фиг. 5 является блок-схемой источника питания с многими выходами, работающего от сети и содержащего интегрированный источник бесперебойного питания. Работа продолжается, как для любого автономного источника питания, если только входная энергия переменного тока не ослабеет значительно или не пропадет полностью. Когда это происходит, интегрированный источник бесперебойного питания автоматически подает энергию в систему без необходимости в чувствительных и переключающих цепях.

Напряжение в узле Е2Р является выпрямленным и грубо отфильтрованным продуктом сетевого напряжения Е1Р после выпрямителя Ό1Ρ. Напряжение в узле Е2Р не регулируется и подвержено изменениям, пропорциональным изменениям, влияющим на максимальное значение напряжения на входе Е1Р. Преобразователь А1Р постоянного тока в переменный ток содержит пару высокоскоростных электронных прерывателей и трансформатор. Трансформатор преобразует высокочастотное высокое напряжение от прерывателей в другие напряжения, которые нужны для данной нагрузки. Другая цель трансформатора состоит в том, чтобы изолировать выходное напряжение, пригодное для нагрузки, от потенциала сети. Ради удобства предположим, что выходные напряжения преобразователя А1Р постоянного тока в переменный ток являются низкими напряжениями, пригодными для использования электронным оборудованием, изолированным от силовой сети.

Результирующие выходные напряжения (это может быть всего одно напряжение) выпрямлены множеством выпрямителей Ό2Ρ и Ό3Ρ и фильтруются дросселем А2Р сглаживающего фильтра (обычно с общей для всех выходов магнитной цепью), работающего с множеством отдельных фильтровых конденсаторов С1Р, С2Р и С3Р, чтобы создавать выходную энергию в узлах Е5Р, Е6Р и Е7Р.

Один из выходов, в данном случае выход Е5Р, выбран для того, чтобы обеспечить обратную связь по напряжению для регулирования выходных напряжений Е5Р, Е6Р и Е7Р при колебаниях напряжения переменного тока и изменениях нагрузки. Это напряжение обратной связи в узле Е3Р поступает на модулятор А4Р, регулирующий ширину импульса, который на основе сравнения с внутренним опорным напряжением регулирует рабочий цикл высокоскоростных прерывателей в преобразователе А1Р постоянного тока в переменный ток, для того чтобы достигнуть более низкого или более высокого среднего напряжения, в зависимости от необходимости, чтобы скорректировать вышеупомянутые колебания. Следует заметить, что размах напряжения, наблюдаемого на любой обмотке трансформатора в преобразователе А1 Р, является постоянным при изменениях нагрузки, но среднее значение напряжения может изменяться с помощью метода управления рабочим циклом прерывателей. Усреднение (сглаживание) выходного напряжения до постоянного значения выполняется с помощью выходного дросселя А2Р сглаживающего фильтра и конденсаторов С1Р, С2Р и С3Р. Действительно, в то время как на максимальное напряжение на трансформато19 ре влияют колебания сетевого напряжения, среднее значение находится под воздействием тех же самых управляющих схем. В реальных приложениях размах напряжения на трансформаторе всегда больше, чем среднее значение на выходе, и коэффициент заполнения каждого прерывателя существенно меньше, чем 50%. Это важный аспект работы этого типа источника питания и критичный для работы этого варианта осуществления настоящего изобретения.

На блок-схеме фиг. 5 видно, что выпрямитель одного из выходов заменен устройством А3Р прерыватель/выпрямитель и что прерыватели, которые являются частью устройства Л3Р, возбуждаются синхронно с прерывателями преобразователя Л1Р постоянного тока в переменный ток. Во время нормальной работы от сети переключающее устройство Л3Р прерыватель/выпрямитель работает как выпрямитель, выполняя ту же функцию, что и подобные выпрямители Ό2Ρ и Ό3Ρ.

Широтно-амплитудный модулятор Л4Р также выдает импульс синхронизации управляющей схеме заряда батареи. Эта схема по своей сущности является переключающей и устанавливает коммутатор заряда в положения включено и выключено при коэффициенте заполнения, определяемом обратной связью от батареи В1Р, с частотой широтно-импульсного модулятора Л4Р. Если помнить о том, что максимальное напряжение в узле Е4Р всегда выше, чем его среднее значение на выходе, то это напряжение можно использовать для заряда батареи В1Р. Используя управление коэффициентом заполнения, можно управлять процессом заряда. Напряжение батареи В1Р выбрано так, чтобы быть ниже, чем самый низкий максимум напряжения в узле Е4Р во время нормальной работы, но выше, чем напряжение, которое требуется для работы источника питания при неблагоприятных условиях в сети, когда источник бесперебойного питания снабжает энергией. Это значит, что заряжающий ток всегда возможен при нормальной работе и что источник может продолжать подавать нужное напряжение на выход во время нарушений в сети.

При неблагоприятных условиях в сети напряжение в узле Е4Р падает. Энергия направляется от батареи В1Р через диод Ό4Ρ коммутатора заряда к узлу Е4Р. Прерыватели, находящиеся в устройстве Л3Р прерыватель/выпрямитель, направляют энергию обратно в трансформатор, который является частью преобразователя Л1Р постоянного тока в переменный ток, через обмотку, которая прежде использовалась для передачи энергии к выходу. Обмотка, магнитно связанная со всеми остальными обмотками, создает напряжения на всех выходах и, как прежде, широтно-импульсный модулятор Л4Р регулирует напряжение на выходах Е5Р, Е6Р и Е7Р. На этот раз, однако, прерыватели в устройстве Л3Р прерыватель/выпрямитель являются эффективными управляющими элементами.

Как еще одно достоинство, выпрямители, расположенные в преобразователе Л1Р постоянного тока в переменный ток, будут выпрямлять в обратном направлении напряжение, присутствующее на трансформаторе, и поддерживать заряженными большие электролитические конденсаторы во входном фильтре. Это предотвращает возникновение больших разрушительных токов при возвращении энергии сети.

Фиг. 6 является упрощенной схемой источника питания с двумя выходами и с интегрированным источником бесперебойного питания. Напряжение сети переменного тока во входном узле Е1Н выпрямляется диодами Ό1Η и Ό6Η и сохраняется на задерживающих конденсаторах С1Н и С2Н. Прерыватели 81Η и 82Η при управлении рабочим циклом с помощью широтноимпульсного модулятора А1Н передают высокочастотное напряжение, равное напряжению на С1Н и затем С2Н, на обмотку трансформатора Т3Н. Выход трансформатора Т3Н показан как два отдельных низковольтных выхода с обмоток Т3Н:А и Т3Н:В, хотя может быть любое число выходов, включая и единственный выход. Пара диодов Ό3Η и Ό5Η выпрямляет сигнал одной из низковольтных обмоток с общим выводом от средней точки трансформатора Т3Н. Результирующее выпрямленное напряжение прикладывается к индуктивности ЬШ и конденсатору С3Н для сглаживания. Выходное напряжение, представленное здесь как +5В, подается на выход Е2Н, а также в цепь обратной связи усилителя ошибки υ3Η, который сравнивает его с опорным напряжением. Усилитель υ3Η, опорное напряжение и широтно-импульсный модулятор А1Н обычно являются частью интегрированного широтно-импульсного модулятора (объединенные как широтно-импульсный модулятор А4Р на фиг. 5), но показаны отдельно для наглядности. Результирующее напряжение выхода усилителя υ3Η влияет на рабочий цикл прерывателей 81Η и 82Η через широтноимпульсный модулятор А1Н, который регулирует выходное напряжение на Е2Н, чтобы оно близко совпадало с опорным напряжением.

Так как рабочий цикл прерывателей 81Η и 82Η, а не максимальная амплитуда напряжения на трансформаторе Т3Н, находится под воздействием модулятора, максимальное напряжение на трансформаторе Т3Н может быть значительно выше (но никогда не может быть ниже ниже), чем усредненное напряжение на выходе источника питания. Широтно-импульсный модулятор А1Н одновременно приводит в действие пару прерывателей 84Η и 85Η. Диоды Ό9Η и Ό10Η являются выпрямителями, которые выполняют ту же задачу, что и диоды Ό3Η и Ό5Η на выходе 5 В в узле Е2Н. Однако в этом случае выпрямители Ό9Η и Ό10Η заземлены анодами.

Это не сказывается на выходном напряжении, так как обмотка трансформатора Т3Н не заземлена. Полярность обмоток трансформатора Т3Н и проводимость всех прерывателей подобраны так, что прерыватели 84 Н и 85Н включены только тогда, когда соседний диод (И9Н и И10Н соответственно) находится в проводящем состоянии. Это дает возможность избежать конфликта проводимостей и реально может улучшить эффективность выпрямления, если прерыватели 84Н и 85Н способны проводить в двух направлениях. Таким устройством является мощный полевой МОП-транзистор, который включает собственный диод на подложке схемы, показанный здесь отдельно. Другими словами, прерыватель 84Н и диод И9Н могут быть или не быть единым устройством. Если это единое устройство, как в полевом МОПтранзисторе, существует принципиальное преимущество в эффективности.

Как отмечено ранее, максимальное напряжение на любой обмотке трансформатора Т3Н всегда будет выше, чем среднее значение напряжения. Используя преимущество этого факта, максимальное напряжение на отводе от средней точки обмотки ТЗН:В трансформатора выбрано выше, чем напряжение батареи В1Н, и подведено к прерывателю 86Н и катоду диода И11Н. Если прерыватель 86Н включается синхронно с прерывателем 84Н и 85Н, это напряжение будет достаточно высоким, чтобы зарядить батарею через индуктивность Ь2Н, которая сглаживает ток. Обратная связь, которая берется от напряжения батареи В1Н и тока зарядки, может быть использована усилителем и 1Н токового шунта и усилителем напряжения ошибки И2Н, чтобы влиять на рабочий цикл прерывателя 86Н с помощью блока управления А2Н зарядом батареи. Диод И8Н является ограничительным диодом, который замыкает цепь для продолжающегося протекания тока в батарею, когда прерыватель 86Н разомкнут. С помощью таких мер блок управления зарядом осуществляет полный контроль над процессом заряда батареи.

Теперь, если энергия переменного тока резко уменьшается в узле Е1Н на входе, напряжение на трансформаторе Т3Н начнет падать. Когда напряжение средней точки обмотки Т3Н:В уменьшит падение напряжения на одном диоде (И11Н) до значения ниже напряжения батареи, оно будет схвачено и поддержано на этом уровне батареей Е1Н, причем предполагается, что этот уровень достаточен для того, чтобы источник питания работал должным образом. Если прерыватель 86Н и диод И11Н представляют интегральный модуль, как в случае мощного полевого МОП-транзистора, блок А2Н управления зарядом батареи может быть устроен так, чтобы поддерживать прерыватель 86Н замкнутым непрерывно во время неблагоприятных условий. Так как полевой МОП-транзистор проводит в обоих направлениях, проводимость полевого МОП-транзистора соединяется в параллель с проводимостью диода И11Н и может улучшить общую эффективность. Теперь, когда средняя точка вторичной обмотки Т3Н:В питается от батареи В1Н, прерыватели 86Н и 85Н будут подключать концы обмотки попеременно к земле. Это будет создавать напряжение в соответствующем отношении на всех обмотках трансформатора Т3Н. Широтно-импульсный модулятор А1Н и связанные с ним компоненты будут регулировать рабочий цикл прерывателей 84Н и 85Н так, чтобы обеспечить нужное напряжение на выходе (например, 5 В на выходе в узле Е2Н), и источник питания продолжит обеспечивать необходимое выходное напряжение.

Так как напряжение появляется на всех обмотках трансформатора Т3Н, обмотка высокого напряжения, обычно связанная с входом, также подводит выпрямленное напряжение через пару диодов И2Н и И4Н к конденсаторам С1Н и С2Н. Это поддерживает входной фильтр в заряженном состоянии и помогает избежать больших бросков тока, когда напряжение сети переменного тока снова появляется в узле Е1Н.

Для специалистов будет очевидно, что многие компоненты, использованные в схеме, могут быть изменены в объеме формулы изобретения. Компоненты, такие как мощные полевые МОП-транзисторы, могут быть заменены другими полевыми МОП-транзисторами, которые выполняют ту же самую задачу. Действительно, схема может быть легко приспособлена для использования других устройств, таких как биполярные плоскостные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором или другие подходящие устройства. Многие из них потребуют отдельных дискретных выпрямителей, подключенных параллельно, но это не меняет общей концепции. В дополнение к этому, многие схемные средства могут использоваться для управления мощными устройствами и током. Управляющие и контрольноизмерительные схемы могут быть созданы из дискретных компонентов с использованием изготовленных на заказ или стандартных выпускаемых промышленностью устройств, таких как 802525, ΙΚ2151 или ΙΚ.2152 или любых других устройств, которые могут выполнять задачу, в рамках цели изобретения.

Замена источника бесперебойного питания во время работы компьютера

Батареи, используемые в устройствах настоящего изобретения, во время нормальной работы могут потерять свою способность сохранять заряд. Например, свинцово-кислотные батареи, как известно, имеют нормальный срок службы только 3-5 лет при нормальных рабочих температурах, и этот период может быть значительно укорочен тяжелыми условиями эксплуатации при высоких температурах. Никелькадмиевые батареи имеют тенденцию к более длительному сроку службы, но при определенных обстоятельствах они могут страдать от эффекта памяти и других эффектов, которые значительно ухудшают их работу. При таких обстоятельствах становится необходимым заменять батареи источника бесперебойного питания. Может быть также необходимым заменить целиком источник бесперебойного питания, включая электронные схемы, или из-за плохого функционирования, необходимости замены предохранителя, усовершенствования, или потому, что пользователь хочет установить другой бесперебойный источник питания (например, с большей энергоемкостью, чтобы поддерживать компьютер более долгий период времени).

Во время замены батарей источника бесперебойного питания может потребоваться, чтобы компьютерная система была отключена от питания. Однако для некоторых компьютерных систем, включая серверные системы или системы, используемые в критических ситуациях, такие, как связанные со здоровьем человека, распространением информации или телекоммуникацией, важно, чтобы компьютеры непрерывно находились в рабочем состоянии. Часто важно иметь возможность заменять источник бесперебойного питания или его батареи во время нормальной работы оборудования, защищаемого источником бесперебойного питания. Эта способность называется способностью к горячей замене.

Фиг. 7а-76 являются блок-схемами источника питания для электронного оборудования с различными степенями физической интеграции с источником бесперебойного питания и его батареями. На фиг. 7а источник питания 37 заключает в своем корпусе силовую схему 33 источника бесперебойного питания (известную также как двунаправленный преобразователь энергии), батарею 31 источника бесперебойного питания и интерфейс 35 источника питания, который физически и электрически связывает схему 33 источника бесперебойного питания со схемами нормального снабжения энергией источника питания 37. Для того, чтобы заменить батарею 31 источника бесперебойного питания или схему 33, кожух 38 должен быть полностью или частично удален. Из соображений безопасности это требует, чтобы внешняя энергия от шнура питания 39 была удалена или отключена, и электронная система, поддерживаемая источником питания 37, была выключена.

На фиг. 7Ь, однако, батарея 31 источника бесперебойного питания присоединена к электрической цепи 33 бесперебойного источника питания через разъемный электрический и физический соединитель 45. Далее, кожух 38 источника питания имеет углубление, образованное выпуклой стенкой 43, через которую проходит соединитель 45. В рамках настоящего изобретения соединитель 45 может быть постоянно присоединен к схеме 33 источника бесперебойного питания, к батарее 31 источника бесперебойного питания или ни к одной из них. Разъемный соединитель 45 позволяет физически отделять батарею 31 от источника питания 37 и, при соответствующих мерах, возникающее при этом открытое соединение может быть сделано безопасным для вмешательства человека с помощью хорошо известных средств. С помощью средств, которые будут обсуждаться ниже, схема 33 источника бесперебойного питания или интерфейс 35 источника питания могут быть сконструированы так, что горячая замена не прервет нормального функционирования источника питания 37, даже при том, что отсутствие батареи 31 означает, что источник бесперебойного питания не сможет подавать резервную энергию в случае перебоев с энергией.

Фиг. 7с показывает вариант осуществления настоящего изобретения, в котором разъемный соединитель 45 находится между схемой 33 источника бесперебойного питания и интерфейсом 35 источника питания. Это позволяет удалять схему 33 бесперебойного источника питания и батарею 31 источника бесперебойного питания из источника питания 37. В этом случае вогнутая стенка 43 должна быть выполнена таким образом, чтобы углубление в источнике питания 37 было достаточно велико, чтобы вместить схему 33 источника бесперебойного питания и батарею 31 источника бесперебойного питания. В некоторых случаях крышка 41 может закрывать место расположения углубления либо для того, чтобы удерживать батарею 31 источника бесперебойного питания и цепь 33 источника бесперебойного питания в углублении, либо чтобы предотвратить проникновение человека, когда углубление пусто. Крышка 41 может также быть использована в случаях, как на фиг. 7Ь, где только батарея 31 источника бесперебойного питания является отделяемой.

Фиг. 76 иллюстрирует вариант изобретения, где соединитель 45 заменен отделимым соединительным шнуром 47. В этом случае батарея 31 источника бесперебойного питания и цепь 33 источника бесперебойного питания, или только батарея 31 источника бесперебойного питания, электрически соединены с внутренностью источника питания через интерфейс 35 источника питания, но они соединены физически только с помощью шнура. Компоненты источника бесперебойного питания, присоединенные к шнуру, могут быть расположены вместе вне кожуха 38, или вне компьютера, или внутри компьютера. Этот способ соединения особенно удобен, когда размеры цепи 33 или батареи 31 велики по сравнению с размерами блока питания 37. Действительно, схема 33 может быть расположена внутри компьютерного блока питания 37, в то время как батарея 31 может быть удобно расположена либо внутри компьютера, либо вне компьютера, соединенная со схемой 33 отделимым электрическим кабелем.

Следует понимать, что так же, как на фиг. 76, цепь 33 источника бесперебойного питания может быть помещена внутрь корпуса источника питания наряду с интерфейсом 35 источника питания, а кабель может быть использован, чтобы присоединить батареи 31 источника бесперебойного питания, которые размещены снаружи источника питания. Действительно, на фиг. 7а - 76 различие между цепью 33 источника бесперебойного питания и батареями 31 источника бесперебойного питания недостаточно четко определено, так как некоторая часть электронных схем может вообще быть расположена вместе с батареями. Эти схемы могут включать чувствительные к температуре устройства, чтобы обнаруживать температурные перегрузки во время заряда или разряда, светодиоды или другие устройства, чтобы известить пользователя о работе системы или о неполадках в работе батарей, или предохранитель, чтобы при неисправности батарей предотвратить повреждение других электронных схем.

Следует заметить, что ориентация углубления, показанного на фиг. 7Ь и фиг. 7с, может быть любой по отношению к источнику питания 37. Особенно удобно, однако, чтобы отверстие выходило наружу компьютера, чтобы съемные компоненты источника бесперебойного питания были доступны во время нормальной работы компьютера без вскрытия корпуса компьютера. Обычно это направление задней стенки источника питания 37, через которую проходит силовой кабель 39 или штепсельный разъем, который обычно присутствует на конце силового кабеля 39, и соединяется с ответной частью на обратной стороне источника питания 37.

Для того чтобы источник бесперебойного питания был пригоден для горячей замены, электронные схемы должны обеспечивать, чтобы работа источника питания не прерывалась, или другими словами, чтобы на него не действовало неблагоприятно присоединение или отсоединение источника бесперебойного питания. В том случае, когда электроника источника бесперебойного питания и батарея источника бесперебойного питания пригодны для горячей замены, важно, чтобы в узловой точке присоединения к источнику питания источник бесперебойного питания не имел устройств, запасающих значительную энергию. Если бы источник бесперебойного питания имел конденсаторы, запасающие энергию, например, в дополнение к таковым в источнике питания, присоединение источника бесперебойного питания вызвало бы потенциально неуправляемые токи и сопутствующие переходные напряжения, когда конденсаторы, запасающие энергию в источнике питания, разряжаются на конденсаторы источника бесперебойного питания. Это показано на фиг. 2 и фиг. 3, где конденсаторы, расположенные в узлах входного напряжения (т.е. конденсаторы С1В и С2В), связаны с компьютерным источником питания, а не с источником бесперебойного питания. В случае, когда из устройств источника бесперебойного питания только батарея подлежит горячей замене, нужно убедиться в том, что во время удаления или замены не возникнут нежелательные режимы работы электронных схем.

Объединенный предохранитель батареи и токовый шунт

Из-за того, что батареи могут быть источником большого тока во время различных неисправностей, следует использовать предохранительный элемент между батареей и всей остальной электроникой. Типичный плавкий предохранитель содержит металлический элемент, обладающий низким сопротивлением. Некоторые функции электронных схем требуют, чтобы значение и направление тока, протекающего через батарею, было определено. Если предохранитель подобран так, что его ток плавления выше, чем ток, который нормально протекает в цепи, а сопротивление предохранителя относительно постоянно в этом диапазоне токов, предохранитель может быть одновременно использован как токочувствительный или шунтовый резистор. Несколько важных функций схемы могут быть реализованы путем определения величины и направления напряжения на этом шунте при некоторых режимах работы схемы.

Фиг. 8 является блок-схемой цепи, в которой предохранитель батареи используется как токовый шунт. Усилитель И1О и связанные с ним цепи образуют регулятор тока, который поддерживает величину зарядного тока батареи В1О постоянной. Когда двунаправленный источник питания обеспечивает ток заряда батареи В1О, на резисторе Р1О, являющемся объединенным предохранителем/шунтом, создается напряжение, пропорциональное зарядному току и сопротивлению предохранителя Р1О. На фиг. 8 полярность этого тока такова, что в узле Е1О возникает положительный потенциал. Усилитель ошибки И1О сравнивает напряжение в узле Е1 О с напряжением Е2О в верхней точке опорного диода И1О. Усилитель ошибки И1О вместе с элементами, определяющими частотный диапазон, включающими резистор КТО и конденсатор С1О, усиливает разность между напряжением в узле Е1О и напряжением в узле Е2О. Результирующее напряжение с выхода поступает на двунаправленный источник питания. Схема устроена таким образом, что сигнал, возникающий на выходе усилителя ошибки И1О, в ответ на возрастание напряжения в узле Е1О уменьшает ток, вытекающий из двунаправленного источника питания, таким образом стабилизируя ток, заряжающий батарею В1 О, а также потенциал в узле Е1 О. Таким образом достигается регулирование тока, заряжающего батарею В1О.

Внутри двунаправленного источника питания необходимо определить, течет ток в бата27 рею или из нее. Это необходимо для того, чтобы установить или сбросить определенные функции схем, таких как таймеры заряда батареи и т.п. Компаратор И2С вместе с присоединенными схемами, включающими резисторы К2С и Κ.3Ο, а также диод Э2С. выполняют эту функцию путем сравнения алгебраической суммы напряжения на предохранителе/токовом шунте Р1С и опорного напряжения Е3О в верхней точке диода Ό2Ο. Схема устроена так, что когда батарея заряжается, алгебраическая сумма напряжений в узле Е4С будет больше нуля, компаратор И2С тогда дает одну полярность выходного напряжения. Однако, когда батарея разряжается, относительные величины и полярности в узлах ЕЮ и Е3С, измеряемые на импедансах К2С и КЗ С, таковы, что суммарное напряжение в узле Е4С меньше нуля и компаратор И2С изменяет состояние выхода.

Избыточный ток разряда батареи обнаруживается компонентом ИЗС и связанными с ним цепями. Напряжение в узле Е6С является алгебраической суммой напряжений в узлах Е1С и Е5С, суммируемых на импедансах резисторов К4С и К5С. Схема и импедансы резисторов К4С и К5С подобраны так, что напряжение в узле Е6С достигает нуля, когда напряжение в узле Е1С становится достаточно отрицательным. Компонент ИЗС сравнивает напряжение в узле Е6С с нулевым напряжением, и если напряжение Е6С становится более отрицательным, с выхода компонента ИЗС посылается ограничивающий сигнал к двунаправленному источнику питания. Когда компонент ИЗС реализован как усилитель ошибки, возбуждающий пропорциональное входное напряжение на двунаправленном источнике питания, ток, текущий из батареи, может быть ограничен замкнутой петлей регулирования напряжения Е6С на входе компонента ИЗС. Однако, компонент ИЗС может быть выполнен как компаратор. Когда напряжение в Е6С становится более отрицательным, чем нуль, что означает, что ток батареи превышает заранее заданный порог, выход компонента ИЗС изменяет состояние. Это изменение состояния может быть использовано, чтобы вызвать отключение двунаправленного источника питания, прекращая все последующее протекание тока из батареи. Эта схема используется, чтобы предотвратить превышение токами тех значений, которые нужны для нормальной работы, в случае возникновения неисправностей.

Когда двунаправленный источник питания работает от энергии батареи, необходимо узнать, когда батарея почти истощилась. В этот момент схема должна начать принимать последние меры в приготовлении к отключению. Можно определить этот момент, сравнивая уменьшающееся напряжение батареи с опорным напряжением. Однако напряжение батареи подвержено изменениям, вызываемым внутренним импедансом батареи под воздействием величины тока разряда. Таким образом, батарея может иметь целую область значений напряжения при почти одной и той же степени истощения, в зависимости от скорости разряда. Усилители И4С и И5С, компаратор И6С и связанные с ними схемы включают схему обнаружения низкого напряжения батареи, которая компенсирует величину тока разряда батареи в батарее с известным внутренним импедансом.

Компаратор И6С сравнивает напряжение на батарее с напряжением на выходе усилителя И5С, для того чтобы определить, когда напряжение батареи станет низким. Усилитель И5С складывает опорное напряжение в узле Е7С в верхней точке диода Э4С с сигналом, определяемым величиной тока, протекающего через батарею В1С, и формируемым на резисторе Р1С предохранителя/шунта. Усилитель И4С масштабирует и инвертирует связанное с током напряжение так, чтобы создать изменение выходного напряжения усилителя И5С, которое примерно пропорционально изменению напряжения на клеммах батареи В1С во время изменяющихся токов разряда. Таким образом, сигнал низкого напряжения батареи на выходе компаратора И6С появляется в некотором диапазоне значений напряжений батареи, который, в свою очередь, появляется в некотором диапазоне значений токов разряда.

Следует понимать, что эти функции предохранителя/токового шунта отделимы и независимы, так что в любой схеме любая из этих функций может работать. В то время, как некоторые из функций предохранителя/токового шунта могут выполняться с помощью предназначенного для этого резистора, большие токи, протекающие при нормальной работе источника бесперебойного питания, предполагают наличие резистора, большого по своему физическому размеру и рассеивающего большую мощность. Предохранитель с его большими токовыми возможностями и низким сопротивлением является, таким образом, очень эффективной альтернативой, в особенности потому, что он всегда требуется из соображений безопасности.

Выход постоянного тока

Так как двунаправленный источник питания внутри источника бесперебойного питания находится в постоянной работе, независимо от того, заряжается батарея или отдает энергию источнику питания компьютера, двунаправленный источник питания может подавать энергию постоянного тока к периферийным компонентам вне собственно компьютера. Фиг. 2 содержит дополнительные цепи, необходимые, чтобы снабжать энергией постоянного тока эти периферийные устройства, которые могут включать громкоговорители, видеодисплеи с плоским экраном (плазменные или на жидких кристаллах), модемы и накопители данных на диске или магнитной ленте.

Дополнительная обмотка Τ1Β:Ό и связанная с ней цепь, содержащая диод Ό1Β и конденсатор С3В, обеспечивают грубо регулируемое постоянное напряжение в узле Е5В. Регулятор напряжения И2В регулирует напряжение в узле Е5В и создает на выходе Е6В точно регулируемое напряжение, пригодное для использования внешними устройствами. Регулятор напряжения И2В также обеспечивает ограничение тока, так что внешние неисправности не вызовут нарушений, отражающихся на работе двунаправленного источника питания.

Когда требуется много выходных напряжений или соединений с периферийными устройствами, требующими того же самого напряжения, это может быть осуществлено с помощью ряда различных средств. Например, множество трансформаторных обмоток с присоединенными выпрямляющими и регулирующими схемами могут быть использованы или, напротив, отдельная обмотка трансформатора может быть связана с множеством выпрямляющих и/или регулирующих компонентов.

Управление работой источника бесперебойного питания

Существенный аспект функционирования бесперебойного источника питания - это его автоматическая работа, т. е. источник бесперебойного питания должен автоматически работать, чтобы снабжать энергией компьютер в случае перебоев в сети. Более того, те функции в компьютере, которые поддерживают функционирование источника бесперебойного питания, такие как резервирование открытых компьютерных файлов и компьютерной памяти, должны также выполняться без вмешательства пользователя. Таким образом, источник бесперебойного питания и компьютер должны поддерживать связь, чтобы обеспечить функционирование взаимной поддержки.

Существуют три основных типа связи, используемых при внутреннем функционировании источника бесперебойного питания. Во-первых, источник бесперебойного питания должен знать энергетическое состояние компьютера, чтобы отличить нехватку энергии сети на входе компьютера от выключения компьютера пользователем. Это требует, чтобы информация от компьютера передавалась источнику бесперебойного питания. Во-вторых, компьютеру нужно сообщить, что произошло падение энергии, чтобы он мог начать использование программного обеспечения для сохранения компьютерных файлов и памяти. Наконец, компьютер или источник бесперебойного питания должны суметь известить пользователя о состоянии и работе источника бесперебойного питания, чтобы пользователь мог предвидеть или понять действия источника бесперебойного питания и связанные с этим функции во время нехватки энергии. Эта последняя форма связи будет описана в следующем разделе.

Существуют, в основном, два способа управления энергетическим состоянием компьютера. В одном способе питанием управляют с помощью ручного выключателя. Эти ручные выключатели механически разрывают входную цепь питания. Во втором методе, который недавно стал более употребительным, питанием управляют электронным способом с материнской платы компьютера. В этом методе питанием могут управлять резидентные программы в компьютере. В дополнение к этому, ручные выключатели могут быть расположены на лицевой стороне компьютера или на клавиатуре. Эти выключатели, однако, связаны непосредственно с материнской платой, которая взаимодействует с источником питания с помощью логических команд. Этот второй метод известен как программный выключатель питания.

Фиг. 9а и фиг. 9Ь являются блок-схемами различных форм связи между компьютером и источником бесперебойного питания. На фиг. 9а источником питания управляют электронным способом от материнской платы 49 (от программного и от ручного выключателей). Когда логика, управляющая питанием с материнской платы 49 приказывает электронно-управляемому источнику питания 57 отключить питание компьютера, сигнал также посылается по сигнальному проводу 51 к источнику бесперебойного питания 59. Это информирует источник бесперебойного питания 59 о том, что произошло намеренное отключение системы, и запрещает бесперебойному источнику питания 59 снабжать энергией компьютер. Однако, если энергия сети на входном кабеле 53 пропадает, как в случае неисправности, источник бесперебойного питания 59 будет автоматически поддерживать работу компьютера путем поддержания энергии в компьютерном источнике питания 57.

На фиг. 9Ь переключаемый вручную источник питания 58 взаимодействует с источником бесперебойного питания 61, предназначенным для взаимодействия с таким источником питания 58. Ручной выключатель 55 на источнике питания 58 управляет работой источника питания 58. Если компьютер намеренно отключен с использованием ручного выключателя 55, сигнальный кабель, который соединяется с сетью на входной стороне выключателя 55, обнаруживает присутствие энергии сети на входном кабеле 53. Это запрещает источнику бесперебойного питания поддерживать функционирование компьютера, когда пользователь желает выключить компьютер. Однако, когда энергия пропадает, это обнаруживается источником бесперебойного питания 61 по отсутствию энергии сети на сигнальном кабеле 63. В этом случае взаимодействие между материнской платой 49 и источником бесперебойного питания 61 не является необходимым, чтобы начать работу бесперебойного источника питания.

Так как источник бесперебойного питания может поддерживать работу компьютера в течение ограниченного периода времени, для компьютера необходимо сохранить энергозависимую информацию для последующего восстановления в случае, если энергия сети не восстановится, прежде чем резервы батареи бесперебойного источника питания истощатся. Это требует, чтобы бесперебойный источник питания был связан с компьютером. Два различных способа осуществления такой связи показаны на фиг. 9а и фиг. 9Ь. На фиг. 9а источник бесперебойного питания 59 соединен параллельно с выключателем 65 без фиксации положения, используемым для управления питанием компьютера. Такие выключатели обычно присутствуют на современных компьютерах и соединены с логическими схемами на материнской плате 49. В зависимости от Базовой Системы Ввода/Вывода (ΒΙΟδ), материнская плата может реагировать различным образом на сигналы от выключателя 65. В случае, показанном на фиг. 9а, когда выключатель 65 замкнут в течение короткого периода времени (порядка 4 секунд или менее), компьютер переводится в приостановленный режим, после того как компьютер сохранил всю энергозависимую информацию. Источник бесперебойного питания 59 присоединен параллельно выключателю 65 к материнской плате 49 парой проводов 67 и 69 и может, следовательно, независимо имитировать действие выключателя 65. После того как источник бесперебойного питания 59 почувствует отсутствие энергии, как описано выше, он может подать сигнал материнской плате 49, замыкая соединение между проводами 67 и 69, таким образом инициируя резервирование системы.

На фиг. 9Ь источник бесперебойного питания 61 соединяется с материнской платой через логический кабель 73, который соединяет привод 71 съемных дисков с материнской платой 49. ΒΙΟδ на материнской плате 49 отвечает на изменения состояний сигналов, передаваемых логическим кабелем 73, используя их, чтобы обнаружить такие состояния, как открытие дверцы привода 71, чтение или запись данных на гибкий диск привода 71. Поддерживая параллельное электрическое соединение с кабелем 73 привода, источник бесперебойного питания 61 может поддерживать контакт с материнской платой 49. Программы, резидентные и работающие на материнской плате (например, программы ΒΙΟδ или резидентные программы, остающиеся в памяти) необходимы, чтобы интерпретировать сигналы на кабеле 73 и начать резервирование программ на компьютере.

Следует заметить, что сигналы от источника бесперебойного питания 61 могут мешать нормальному функционированию привода 71. Поэтому удобно использовать те связи внутри компьютера, которые не используются. Обычно компьютер обеспечивает соединения для многих приводов гибких дисков, хотя часто может присутствовать только один привод 71. Таким образом, если использовать кабель 73 для привода, который остается неиспользованным, не возникнет проблем с функционированием периферийных устройств в системе.

В рамках настоящего изобретения возможно использование других компьютерных портов периферийных устройств бесперебойным источником питания, чтобы подать сигнал на материнскую плату. Другие удобные порты периферии могут включать порты внутреннего жесткого диска, накопителя на магнитной ленте и контроллера СЭ-ΚΌΜ. Далее, порты периферии необязательно должны быть расположены внутри корпуса компьютера, но могут быть вне его или на внешней стенке корпуса. Таким образом, последовательный (например, Универсальная Последовательная Шина υδΒ) и параллельный порты, которые используются для связи с внешними периферийными устройствами, могут быть снабжены отводами путем параллельных соединений внутри корпуса компьютера, чтобы можно было передавать сигналы к материнской плате 49.

Предупреждения и пользовательский интерфейс

В процессе работы важным является взаимодействие с пользователем через звуковую и визуальную обратную связь. Эти сигналы позволяют пользователю управлять работой бесперебойного источника питания, сообщая такую информацию, как правильное функционирование источника бесперебойного питания, время, остающееся для работы источника бесперебойного питания во время нехватки энергии, статус завершения программ в компьютере, который резервирует текущую информацию во время перебоев с энергией, и эксплуатационное состояние батарей.

Звуковая обратная связь может включать не являющиеся словами звуки (щелчки, гудки, звонки), так же как членораздельную речь (либо в виде записанной в двоичном коде человеческой речи, либо синтезируемой компьютером речи). Звуки речи могут воспроизводиться громкоговорителями, которые являются либо внутренними, либо внешними по отношению к компьютеру. Однако, так как звуки нужно будет воспроизводить во время нехватки энергии, нужно использовать громкоговорители, которые питаются от источника бесперебойного питания. Большинство компьютеров включают системный громкоговоритель, расположенный на материнской плате или иным образом внутри корпуса компьютера, который используют при отсутствии внешних громкоговорителей. Могут быть использованы эти громкоговорители или, напротив, источник бесперебойного питания может сам содержать специальный громкоговоритель, который может включать преобразова33 тель из пьезоматериала или электродинамический громкоговоритель.

Звуковой сигнал может быть подан, чтобы предупредить пользователя, что произошло падение энергии на входе основного источника питания переменного тока, или указать на неполадки в источнике бесперебойного питания. Если на выход подается членораздельная речь, сущность проблемы может быть сообщена, и любые действия, которые следует предпринять пользователю, будут указаны. Если на выход подается звук, характеристики звука (громкость, частота повторения или частота) могут указывать на природу проблемы. Например, в случае недостатка энергии, при работающем должным образом источнике бесперебойного питания, может создаваться тикающий звук. Когда батареи бесперебойного источника питания истощились, частота повторения может возрастать до тех пор, пока звук не пропадет совсем, когда источник бесперебойного питания не сможет больше поддерживать компьютерную систему.

Благодаря простоте большинства неартикулируемых звуков, сигналы могут формироваться внутренне в источнике бесперебойного питания. На фиг. 9а и фиг. 9Ь параллельные входы к компьютерному громкоговорителю 75 доступны либо с материнской платы компьютера, либо с источника бесперебойного питания 59. В аварийной ситуации источник бесперебойного питания 59 может посылать звуковые сигналы прямо к громкоговорителю компьютера, без необходимости иметь отдельные программы, чтобы управлять громкоговорителем с компьютера.

Визуальная обратная связь может состоять из световых индикаторов или изображений на видеомониторе. Световые индикаторы будут обычно смонтированы на самом источнике бесперебойного питания или на корпусе компьютера и будут показывать работу и состояние источника бесперебойного питания. Сигнал индикатора может генерироваться светоизлучающими диодами. Информация может выражаться присутствием или отсутствием света, или вспышкой световых сигналов. Например, интуитивно-понятной формой светового дисплея было бы, в случае светоизлучающих диодов, непрерывное свечение, когда батарея полностью заряжена, и затем вспыхивание, когда батарея только частично заряжена, причем длительность и сила вспышки пропорциональны величине заряда, остающегося в батарее.

Таким образом, полностью разряженная или плохо функционирующая батарея будет характеризоваться отсутствием световых сигналов индикатора, в то время как заряжающаяся батарея будет характеризоваться вспышкой света, которая становится более заметной (например, выше коэффициент заполнения), когда батарея заряжена.

Для того чтобы могла иметь место обратная связь с помощью видеоизображений, видеомонитор должен быть активным. Внутренний источник бесперебойного питания 59 может поддерживать работу монитора, если есть подходящая штепсельная розетка, чтобы внешний монитор мог получать энергию от источника бесперебойного питания 59. В другом случае, если монитор и компьютер являются интегрированными блоками, монитор, естественно, будет получать энергию от источника питания компьютера. В дополнение к этому, способность снабжать энергией через соединения, предназначенные для передачи энергии постоянного тока, поддерживаемая источником бесперебойного питания 59 или компьютерным источником питания 57, сделает энергию доступной для внешних видеомониторов, которые используют энергию постоянного тока. Такие мониторы включают многие из мониторов с плоским экраном на жидких кристаллах, а также плазменные цветные мониторы, которые сейчас становятся доступными.

Обратная видеосвязь с пользователем будет формироваться с помощью резидентных программ на материнской плате. Эти программы резервирования будут становиться активными, как описано в предыдущем разделе, с помощью сигналов от бесперебойного источника питания 59 к материнской плате 49. Во время процесса резервирования достигнутый прогресс может быть показан пользователю, так же как информация о величине резервной электрической энергии, остающейся в батарее компьютера.

Поддерживающая батарея

Батареи для использования в источнике бесперебойного питания согласно настоящему изобретению могут быть разных типов, различаясь по размеру, схеме, химическому составу и различным рабочим характеристикам. Свинцово-кислотные батареи наиболее широко используются в источниках бесперебойного питания из-за умеренных энергии и плотности энергии и низкой стоимости. Положительные свойства этих батарей, однако, сопровождаются отрицательными свойствами, среди которых наиболее заметными являются высокая скорость саморазряда и неспособность легко восстанавливаться после полного разряда. Таким образом, в зависимости от конструкции свинцово-кислотных батарей, можно рассчитывать на срок хранения от шести до двенадцати месяцев, и в конце этого срока они не могут быть полностью заряжены (срок службы с перезарядкой для этих батарей составляет обычно 3-5 лет).

Если батареи с коротким сроком хранения используются, благодаря их другим хорошим свойствам (например, свинцово-кислотные батареи), удобно использовать способ продления их срока хранения, чтобы удовлетворить широкое разнообразие различных дистрибьюторских и торговых интересов. Способ настоящего изобретения позволяет использовать вторую батарею, называемую поддерживающая батарея, со сроком хранения значительно большим, чем основная аккумуляторная батарея. Фиг. 10а схематически показывает основную аккумуляторную батарею В2Е, соединенную параллельно с поддерживающей батареей В1Е. Когда аккумуляторная батарея В2Е саморазряжается во время хранения, поддерживающая батарея В1Е разряжается в батарею В2Е через резистор К1Е и таким образом компенсирует саморазряд аккумуляторной батареи В2Е. Диод ΌΙΕ, присутствующий необязательно, в зависимости от соответствующих типов батарей В1Е и В2Е, предохраняет поддерживающую батарею В1Е от перезаряда во время нормальной работы, потому что зарядка батареи В1Е могла бы помешать оптимальному режиму зарядки аккумуляторной батареи В2Е, а также потому, что поддерживающая батарея В1Е может быть неперезаряжаемой по своей химической природе.

Характеристики поддерживающей батареи В1Е должны быть тщательно согласованы с аккумуляторной батареей В2Е. Например, рабочее напряжение поддерживающей батареи В1Е должно быть выше, чем напряжение полностью разрядившейся батареи В2Е, для того чтобы предотвратить полный разряд аккумуляторной батареи В2Е. Далее, энергоемкость поддерживающей батареи В1Е должна быть достаточно высока, чтобы обеспечить значительное удлинение срока жизни аккумуляторной батареи В2Е.

Может быть желательным, чтобы поддерживающая батарея В1Е не была постоянной частью источника бесперебойного питания и чтобы она использовалась только при дистрибьюции и продаже источников бесперебойного питания до того, как они начнут работать, или во время длительных перерывов в работе. В таком случае поддерживающая батарея В1Е может не находиться в бесперебойном источнике питания, но быть присоединенной таким образом, чтобы отделяться от источника бесперебойного питания до начала его работы.

Фиг. 10Ь схематически показывает использование поддерживающей батареи, как на фиг. 1 0а, за исключением того, что в этом случае поддерживающая батарея является перезаряжаемой батареей. Как и прежде, свойства двух батарей, главной аккумуляторной батареи В2Е и перезаряжаемой поддерживающей батареи В3Е, могут быть очень различные. В этом случае поддерживающая батарея может быть заряжена, но так как по своим электрическим свойствам может отличаться от аккумуляторной батареи В2Е, бустерная схема А1Е должна преобразовывать энергию, нормально используемую для аккумуляторной батареи В2Е, в такую, которая может быть использована поддерживающей батареей В3Е.

Когда источник бесперебойного питания не включен, небольшой ток протекает через резистор К2Е от поддерживающей батареи В3Е, чтобы поддерживать минимально допустимое напряжение на аккумуляторной батарее В2Е, удерживая батарею В2Е от попадания в состояние конечного и необратимого разряда, из которого она не сможет выйти. Когда источник бесперебойного питания включен, ток через резистор К2Е будет минимальным, а главным источником тока является основная аккумуляторная батарея В2Е, которая обычно имеет низкий внутренний импеданс по сравнению с импедансом поддерживающей батареи В3Е.

Может оказаться удобным, чтобы схема, показанная на фиг. 1 0Ь, физически находилась внутри одного корпуса, обеспечивая единый интерфейс для батареи с гибридными возможностями. Использование единого корпуса включает два преимущества. Во-первых, установка и замена комбинированных батарей облегчается. В дополнение к этому, корпус комбинированной батареи может быть сделан равным по размеру существующим распространенным размерам батарей, допуская прямую замену других типов батарей гибридной батареей, описанной здесь.

Следует заметить, что существует большое разнообразие типов батарей и что необходимость в поддерживающих батареях может быть не только у свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, но и у любого типа батарей со значительным саморазрядом и трудностью полного восстановления из разряженного состояния. Далее, следует заметить, что поддерживающая батарея В1Е может быть выбрана из ряда батарей с различными химическими свойствами и не обязательно должна быть способна к перезарядке. Возможно также, чтобы поддерживающая батарея была той же самой химической природы, что и аккумуляторная батарея (например, обе являются свинцово-кислотными батареями), но с химическим составом и схемой, обеспечивающими более длительный срок хранения, чем у основной аккумуляторной батареи.

Выгоды и преимущества настоящего изобретения

В свете этих и других примеров из известного уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает ряд преимуществ в сравнении с источниками бесперебойного питания, использовавшимися ранее, включая следующие:

* Источник бесперебойного питания имеет очень простой и ограниченный стык с обычным источником питания, к которому он присоединен. Например, в первом варианте изобретения стык содержит единственную пару проводов между двунаправленным преобразователем энергии и шиной постоянного тока источника питания. Это значит, что существующие конструкции источников питания, которые хорошо технологически отработаны, обладают высокой степенью надежности в сочетании с низкой стоимостью, не нуждаются в значительном изменении конструкции или модификации, чтобы использовать настоящее изобретение. Далее, изобретение может быть легко приспособлено почти к любому источнику питания, который включает шину постоянного тока.

* Двунаправленный преобразователь энергии бесперебойного источника питания выполняет заряд и разряд, используя единственный магнитный компонент (например, трансформатор Т3Н на фиг. 6). Во многих других конструкциях источников бесперебойного питания для заряда и разряда батареи используют различные электронные схемы и, следовательно, более чем один магнитный компонент. Единственный магнитный компонент настоящего изобретения недорог и, что, возможно, более важно, занимает меньше места, что облегчает его размещение в существующих топологиях источников питания.

* Изобретение по своей сути обеспечивает очень существенный ток заряда для батареи или другого возобновляемого источника энергии. На практике эти зарядные токи могут легко достигать значений 10-20 А, так что батареи, способные принимать очень большие зарядные токи (например, свинцово-кислотные батареи с тонкими металлическими пленками производства фирмы Во1бет ТсскпсИодЩ. Со1бсп. Со1огабо) могут быть заряжены очень быстро. Это значит, что от последующих перерывов в работе первичного источника можно защититься без существенных задержек на перезарядку.

* Источник бесперебойного питания всегда в работе, поддерживая защищаемый источник питания. Это устраняет чувствительные и коммутирующие схемы, необходимые, чтобы заменять один источник энергии на другой, как это часто используется в предыдущих конструкциях. Если первичный источник энергии начинает испытывать перебои, вторичный источник уже присутствует и немедленно поддерживает источник питания без задержки (т.е. переходного времени) или чувствительных/коммутирующих схем. Следует заметить, что источник бесперебойного питания согласно настоящему изобретению не только защищает от неисправностей, но постоянно предохраняет от уменьшения мощности при низком напряжении и от пропадания энергии.

* Источник бесперебойного питания может катастрофически ухудшить свои свойства без того, чтобы вызвать остановку или повреждение источника питания, к которому он присоединен. Это существенно, так как надежность, вероятно, является самым важным параметром в проектировании источников питания. Таким образом, источник бесперебойного питания не создает новых аварийных режимов работы, которые угрожали бы сохранности компьютерной информации или аппаратных средств.

* Конструкция источника бесперебойного питания по сути своей позволяет размещать источник бесперебойного питания в доступном свободном пространстве обычного источника питания. Внутреннее размещение источника бесперебойного питания в пределах источника питания компьютера имеет ряд преимуществ. Например, вследствие того, что источник бесперебойного питания может использовать корпус источника питания, затраты на корпус источника бесперебойного питания могут отсутствовать или быть сильно уменьшены. В дополнение к этому, стоимость кабелей и соединителей, присутствующих в конструкциях внешних источников бесперебойного питания, здесь отпадает. Внутренний источник бесперебойного питания может, далее, иметь преимущество в способности использовать многочисленные режимы связи, доступные внутреннему компоненту, например, осуществляя прямое электрическое соединение с материнской платой, переключателями питания или с внутренними периферийными портами (например, кабелями дисковода гибких дисков), которые недоступны внешним устройствам. Очевидно также удобство для пользователя, состоящее в том, что не нужно место на столе, на полу, и дополнительные кабели для внутреннего источника бесперебойного питания.

* Простой стык между источником бесперебойного питания и источником питания компьютера облегчает удаление бесперебойного источника питания. При малом количестве соединений между источником бесперебойного питания и источником питания компьютера, конструкция съемного источника бесперебойного питания значительно упрощается. Далее, конструкция допускает горячую замену, которая позволяет заменять бесперебойный источник питания или батарею источника бесперебойного питания во время работы компьютера. В то время как это может быть просто удобством для домашнего применения, для многих применений (например, серверы, медицинские устройства, коммерческое оборудование), возможность заменять батареи во время работы компьютера является необходимой.

* Конструкция источника бесперебойного питания позволяет использовать множество батарей, различных как с точки зрения их химического состава (например, свинцово-кислотные или никель-кадмиевые), так и их особых схем и характеристик. Эта гибкость позволяет в рамках настоящего изобретения проектировать специфические источники бесперебойного питания для различных целей. Далее, использование поддерживающей батареи еще более расширяет свойства батарей, которые могут быть использованы.

Для специалистов должно быть ясно, что вышеупомянутые варианты являются лишь иллюстрациями нескольких из многих возможных конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Другие многочисленные и разнообразные конструкции могут быть без труда созданы специалистами, не выходя за рамки настоящего изобретения.

Claims

1. Источник бесперебойного питания для источника энергии постоянного тока, содержащий (a) возобновляемый источник запасенной энергии, который может расходовать и запасать энергию в форме электрической энергии постоянного тока, и (b) двунаправленный преобразователь энергии для соединения источника запасенной энергии с источником энергии постоянного тока, причем преобразователь энергии непрерывно работает, направляя энергию либо к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, либо к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, а направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.

2. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что возобновляемый источник запасенной энергии является перезаряжаемой батареей.

3. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что источник энергии постоянного тока является источником выпрямленного напряжения на входе импульсного источника питания.

4. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что энергия, направляемая между источником энергии постоянного тока и источником запасенной энергии, существует в форме электрического тока, причем указанный преобразователь энергии содержит средства управления величиной тока, направляемого к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии или к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока.

5. Источник бесперебойного питания по п.4, отличающийся тем, что указанные средства управления величиной тока выполнены в виде средств широтно-иипульсной модуляции.

6. Источник бесперебойного питания по п.4, отличающийся тем, что указанные средства управления величиной тока выполнены в виде средств модуляции коэффициента заполнения при по существу постоянной частоте импульсов по существу постоянной ширины.

7. Источник бесперебойного питания по п.4, отличающийся тем, что указанные средства управления величиной тока выполнены в виде средств частотной модуляции при по существу постоянной ширине импульсов.

8. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что возобновляемый источник запасенной энергии выполнен с возможностью отсоединения от двунаправленного преобразователя энергии без перерыва в нормальной работе устройств, которые получают энергию от источника энергии постоянного тока.

9. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что двунаправленный преобразователь энергии выполнен с возможностью отсоединения от источника энергии постоянного тока без перерыва в нормальной работе устройств, которые получают энергию от источника энергии постоянного тока.

10. Источник бесперебойного питания по п.9, отличающийся тем, что когда двунаправленный преобразователь энергии отсоединяется от источника энергии постоянного тока, двунаправленный преобразователь энергии содержит менее 75% запасенной энергии источника энергии постоянного тока.

11. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что величина электрического тока, который может протекать в направлении источника запасенной энергии, больше 1 0 А.

1 2. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что источник запасенной энергии соединен параллельно со вторым источником запасенной энергии.

1 3. Источник бесперебойного питания по п.1 2, отличающийся тем, что второй источник запасенной энергии присоединен через устройство с однонаправленным пропусканием тока.

1 4. Источник бесперебойного питания по п.1 2, отличающийся тем, что второй источник запасенной энергии является возобновляемым.

1 5. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что источник энергии постоянного тока является источником питания компьютера, расположенным в компьютере.

1 6. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что источник бесперебойного питания помещен внутри кожуха источника питания компьютера.

1 7. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что источник бесперебойного питания может обнаруживать нарушение охлаждения источника питания компьютера, в котором он находится, и вызывать формирование сигнала предупреждения из набора, включающего звуковые и визуальные сигналы.

18. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что источник бесперебойного питания выполнен с возможностью его удаления из источника питания компьютера при нахождении последнего во включенном состоянии.

19. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что возобновляемый источник запасенной энергии выполнен с возможностью его удаления при включенном источнике питания.

20. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что к источнику бесперебойного питания имеется доступ извне компьютера.

21 . Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что к возобновляемому источнику запасенной энергии имеется доступ извне компьютера.

22. Источник бесперебойного питания по п.15, отличающийся тем, что возобновляемый источник запасенной энергии соединен с источником питания компьютера электрическим кабелем, по меньшей мере часть которого является внешней по отношению к источнику питания компьютера, и который не является силовым кабелем сети переменного тока.

23. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что источником энергии постоянного тока является неотфильтрованный выход импульсного источника питания.

24. Источник бесперебойного питания по п.23, отличающийся тем, что энергия, направляемая к возобновляемому источнику запасенной энергии, извлекается из неотфильтрованного выходного напряжения обмотки трансформатора импульсного источника питания.

25. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что часть энергии отводится от двунаправленного преобразователя энергии для использования внешними электрическими устройствами.

26. Источник бесперебойного питания по п.25, отличающийся тем, что отвод энергии осуществляется путем использования, по меньшей мере, одной обмотки трансформатора.

27. Источник бесперебойного питания по п. 1 , отличающийся тем, что единый электронный компонент используется одновременно как предохранитель и как резистор, на котором падает напряжение, пропорциональное току, текущему в возобновляемый источник запасенной энергии.

28. Источник бесперебойного питания по п.27, отличающийся тем, что указанный преобразователь энергии содержит средства регулировки тока, восстанавливающего энергию возобновляемого источника, в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

29. Источник бесперебойного питания по п.27, отличающийся тем, что указанный преобразователь энергии содержит средства определения направления тока в возобновляемом источнике запасенной энергии в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

30. Источник бесперебойного питания по п.27, отличающийся тем, что указанный преобразователь энергии содержит средства определения того, является ли уровень тока, текущего в возобновляемом источнике запасенной энергии, по меньшей мере заранее заданным уровнем тока, в соответствии с напряжением, падающем на электрическом компоненте.

31. Источник бесперебойного питания по п.27, отличающийся тем, что указанный преобразователь энергии содержит средства модификации заранее заданного значения, характеризующего приближение истощения энергии возобновляемого источника запасенной энергии, в соответствии с напряжением, падающем на указанном электрическом компоненте.

32. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что он содержит электрический компонент, включенный так, что на нем формируется напряжение, пропорциональное току, протекающему в возобновляемом источнике запасенной энергии, и средства модификации заранее заданного значения, характеризующего приближение истощения энергии возобновляемого источника запасенной энергии, в соответствии с указанным напряжением.

33. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что он содержит средства предотвращения начала его работы в случае отсутствия напряжения на источнике энергии постоянного тока и отсутствия сигнала от компьютера, подтверждающего включение оборудования питания.

34. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что он содержит средства прекращения работы при отсутствии сигнала, подтверждающего включение оборудования питания.

35. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что связь источника бесперебойного питания с материнской платой компьютера осуществляется через кабель, предназначенный для соединения с внутренними периферийными устройствами.

36. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что связь источника бесперебойного питания с материнской платой компьютера осуществляется через параллельное соединение с механическим выключателем, используемым для отключения системы.

37. Источник бесперебойного питания по п.1 , отличающийся тем, что источник питания может генерировать звуковые сигналы, которые воспроизводятся громкоговорителем компьютерной системы, причем провода, соединяющие источник бесперебойного питания с громкоговорителем, подключены параллельно другим проводам, присоединенным к громкоговорителю.

38. Способ обеспечения источника энергии постоянного тока резервной энергией, в соответствии с которым (а) используют источник возобновляемой запасенной энергии, который (б) соединяют с источником энергии постоянного тока таким образом, чтобы направлять энергию или к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, или к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, причем направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.

39. Устройство для обеспечения источника энергии постоянного тока резервной энергией, содержащее (а) средства создания источника возобновляемой запасенной энергии и (б) средства соединения возобновляемого источника запасенной энергии с источником энергии постоянного тока таким образом, чтобы направлять энергию либо к источнику энергии постоянного тока от источника запасенной энергии, либо к источнику запасенной энергии от источника энергии постоянного тока, причем направление потока электрической энергии определяется отклонением отношения потенциалов источника энергии постоянного тока и источника запасенной энергии от заранее заданного значения.