В нашей компании всегда было много источников бесперебойного питания (ИБП) для удобства и чтобы внезапно не терять много работы. Нам было интересно изучить их подробнее, но мы остерегались подключать их к измерительному оборудованию из-за высоких напряжений. Существует серьезная вероятность того, что они могут повредить оборудование или нас самих.
Несмотря на все это, мы решили пренебречь осторожностью и проверить некоторые ИБП из офиса. Тестирование ИБП и защиты от скачков может идти во многих направлениях, поэтому эта статья будет посвящена тестовой установке и интересным результатам исследования.
Неиссякаемый запас источников бесперебойного питания.
Тестовая установка
Мы говорим это серьезно, не пытайтесь повторить это дома.
Наше предыдущее нежелание измерять ИБП было связано с подключением нашего очень хорошего осциллографа Rohde & Schwarz MXO58 стоимостью 50000 долларов напрямую к сетевому питанию. Те, кто не знаком с осциллографами, могут не знать, что заземляющий ("земля") контакт щупа электрически соединен непосредственно с землей всех остальных каналов осциллографа и с землей в вашей розетке. Это не просто удобный способ обозначить отрицательное/опорное соединение щупа, и это может создать непреднамеренные пути прохождения тока, если вы неосторожны.
Основная проблема при зондировании этого оборудования заключается в создании гигантского пути прохождения тока через сетевое соединение, щуп, осциллограф и обратно через панель подключения к розетке. Эта непреднамеренная цепь может серьезно повредить любое чувствительное измерительное оборудование в петле до того, как автоматический выключатель или устройство защитного отключения (GFCI) разомкнут цепь. Хотя существуют безопасные соединения, которые можно сделать, нет гарантии, что проводка в здании подключена правильно или что нет разности потенциалов, которая может вызвать проблемы. Это становится еще сложнее, если учесть проводку ИБП и то, как он может переключаться между подачей сетевого питания или сигнала от аккумуляторной резервной системы.
Это можно сделать безопасно с помощью высоковольтных дифференциальных щупов, таких как R&S RT-ZHD, но у нас их нет. Зато у нас есть Chroma 61507, программируемый источник переменного тока (AC), способный генерировать собственный гальванически изолированный сигнал переменного тока. Сигнал переменного тока, создаваемый Chroma 61507, гальванически развязан от "земли", обеспечивая плавающий источник. Подключение заземляющего соединения щупа осциллографа к нейтральному выходу источника переменного тока просто привязывает его к земле, и петли цепи не создаются.
Чтобы не втыкать щупы непосредственно в розетки, мы добавили 2x1 разъем Molex Mini-Fit к сетевому кабелю. Эта установка все еще требует значительной осторожности.
Щуп осциллографа.
С учетом этих соединений наша простая установка показана ниже. Мы можем зондировать вход или любой из выходов ИБП.
Блок-схема.
Следующим этапом развития этой установки было бы зондирование входа и выхода ИБП одновременно, но мы не считаем, что полностью учли все, что может пойти не так, и пока не хотим рисковать.
ИБП для тестирования
По офису разбросаны вездесущие APC BN1500M2-CA, наша инвентаризация сообщает о 28 таких устройствах, и я взял несколько для этого тестирования. Я также позаимствовал APC BE750G и Eaton SMART1500PSRTNC, соответственно менее и более дорогие варианты в нашей инвентаризации.
ИБП для тестирования.
Они тестировались при различной степени заряда, и, как мы увидим в тестировании, один из блоков BN1500M2-CA находится в серьезном неисправном состоянии. Кроме того, прискорбно, что производители ИБП, похоже, пытаются минимизировать количество кнопок и общаться о состоянии батареи, питания, выходе и состоянии только через загадочные глифы. Мы ждем открытия Розеттского камня глифов ИБП, но пока нам часто приходится обращаться к руководствам, чтобы понять, что они пытаются нам сказать.
Предварительные результаты тестирования
Это тестирование не нацелено на ответ на конкретный вопрос, а скорее представляет собой исследование различных состояний и выходов ИБП. Если не указано иное, тесты проводились с входным напряжением 115 В или 120 В переменного тока и без нагрузки.
Для тех, кто не знаком с осциллографами и формами сигналов, показанными ниже, ось X представляет время, а ось Y представляет измеренное напряжение. Обратите внимание на бирюзовую нумерацию внизу захвата, так как диапазон времени может варьироваться между захватами. Волнистая бирюзовая линия - это напряжение, измеренное щупом осциллографа.
Я также добавил несколько красных аннотаций, так что, надеюсь, они будут полезны.
Eaton SMART1500PSRTNC
Начнем с Eaton SMART1500PSRTNC. Это линейно-интерактивный ИБП, способный генерировать чистую синусоиду на выходе. Линейно-интерактивность означает, что он постоянно отслеживает входное питание не только на предмет сбоев, при которых он возьмет управление на себя, но и для внесения небольших корректировок при фильтрации входного питания.
Eaton SMART1500PSRTNC.
В то время как некоторые менее дорогие ИБП генерируют и выдают имитированные (также называемые "модифицированными") синусоиды, ИБП с чистой синусоидой на выходе будут правильно генерировать гладкую синусоиду, соответствующую сигналу переменного напряжения, который ожидают ваши устройства. Графика ниже показывает чистую синусоиду и имитированную синусоиду.
Сравнение синусоид. Источник:
Большинство базового бытового оборудования будет работать без проблем при питании от имитированной синусоиды, но чувствительное оборудование может вести себя нестабильно, издавать гудящий шум или работать немного менее эффективно.
При подключении и включении ИБП будет пропускать сетевое питание на выходы, как показано на записи ниже. Это очень хороший синусоидальный сигнал (чистая синусоида), генерируемый источником переменного тока Chroma 61507.
Форма сигнала при подключении и включении.
ИБП переключится с режима сетевого питания на режим питания от батареи, когда он будет отключен от стены. Это было зафиксировано несколько раз, результаты показаны ниже.
Плоский, а затем волнистый участок в середине захвата - это задержка и переход между моментом отключения сигнала сетевого питания и включением сигнала питания от батареи.
Пример формы сигнала перехода при отключении 1.
В одном случае ИБП смог быстро восстановиться и даже совпасть по фазе с основным сигналом (в результате чего период составил около 16 мс), но в другом тесте ИБП был немного медленнее. Это демонстрирует по крайней мере некоторую вариативность при тестировании ИБП. Результаты могут варьироваться в зависимости от того, где (когда) прерывается входной сигнал, и от типа подключенной нагрузки.
При тестировании в обратном направлении, подключении ИБП для перехода от питания от батареи к сетевому питанию, мы зафиксировали сигнал ниже. Предположительно, эти результаты всегда будут более стабильными, так как ИБП может контролировать, когда переключаться на альтернативный источник питания. Это показывает почти непрерывную синусоиду, и переключение, вероятно, не будет "замечено" подключенным оборудованием.
Форма сигнала перехода при подключении.
Обратите внимание, что генерируемый ИБП синусоидальный сигнал имеет выброс/заминку при каждом переходе через 0 В. Это также наблюдается при тестировании блоков APC. Это мешает ему быть идеальной имитацией синусоиды, но, вероятно, не окажет большого влияния на подключенное оборудование.
APC BE750G
Понятно (он гораздо менее дорогой), менее впечатляющей моделью является APC BE750G. Он имеет некоторые управляемые от мастера розетки и другие розетки, которые только защищены от скачков, но, как мы увидим, выходной сигнал не такой хороший.
APC BE750G.
Начиная с ИБП, подключенного к сети и находящегося в режиме ожидания, устройство было отключено, и включился резервный аккумулятор. Плоский участок формы сигнала посередине - это снова момент, когда ИБП не подавал питание, а затем ступенчатая прямоугольная волна справа - это имитированная синусоида, генерируемая ИБП.
Это понятно и ожидаемо при гораздо более низкой цене этой модели, но на это завораживающе смотреть. Несмотря на очень ступенчатый сигнал, ИБП смог переключиться относительно быстро.
Форма сигнала перехода при отключении.
Обратите внимание, что, хотя имитированная синусоида сильно отличается от чистой синусоиды, она все равно будет иметь период (длину цикла) примерно 16,6 мс, чтобы соответствовать частоте 60 Гц.
Мощное оборудование, подключенное к ИБП, имеет собственную входную фильтрацию и коррекцию коэффициента мощности для работы с неидеальной имитированной синусоидой, но оно не будет работать так же эффективно, и внезапные изменения напряжения и тока могут создавать вибрации, шум и дополнительное тепло.
При переходе в обратную сторону, подключении ИБП во время его работы в режиме от батареи, мы видим несколько более плавный переход и возобновление синусоиды, генерируемой Chroma 61507.
Форма сигнала перехода при подключении.
Мы также измерили момент включения ИБП, когда он ранее не был подключен к сети (только от батареи). Он сразу переходит к имитированному сигналу синусоиды.
Форма сигнала включения.
APC BN1500M2-CA
Рассматривая линейно-интерактивный APC BN1500M2-CA, мы протестировали одну модель, но нам пришлось привлечь резервную из-за неожиданных результатов.
APC BN1500M2-CA.
Первый подключенный нами блок показал эту хорошую синусоиду при подключении к питанию. Это чистый синусоидальный сигнал, подаваемый сетью (в нашем случае - источником переменного тока).
Форма сигнала сквозного пропускания сетевого питания.
Когда ИБП отключен от сети и должен генерировать свой собственный сигнал, мы видим то, что показано на записи ниже. Теоретически, этот ИБП должен выдавать чистую синусоиду.
Форма сигнала при питании от батареи.
Иногда блоки питания могут вести себя нестабильно, когда они включены без нагрузки, и я подумал, что это может быть здесь. Я подключил 60 Вт USB-C зарядное устройство, но это лишь немного снизило пик сигнала. Очевидно, это не единственная проблема.
Форма сигнала при питании от батареи с небольшой нагрузкой.
Я еще не пробовал тщательно отлаживать этот ИБП, но это кажется чем-то большим, чем просто необходимость в новой батарее.
Когда он не подключен к сети, переходы в режим питания от батареи и из него (отключение и подключение) показаны на записях ниже.
Форма сигнала включения (питание от батареи).
Тестирование второго образца (извините за прерывание)
Используя другой образец, мы можем видеть относительно плавный переход и правильную синусоиду, когда ИБП отключен от сети. Обратите внимание, что этот ИБП также имеет выброс/заминку после перехода через 0 В. Ниже приведены два примера перехода ИБП из подключенного состояния в отключенное.
Этот ИБП не может поддерживать фазу входного сигнала питания, и период нулевого/нестабильного напряжения составляет около 10 мс. Это находится на грани того, при котором большинство ATX блоков питания смогут поддерживать выходную мощность при полной нагрузке. Мы должны будем проверить это когда-нибудь...
Форма сигнала перехода при отключении.
Переход от выходного сигнала батареи к выходному сигналу сети (подключение ИБП) происходит еще плавнее. Перерыв практически отсутствует. Весьма маловероятно, что подключенное оборудование отключится или даже отреагирует на изменение. Я не могу гарантировать, что это будет стабильный результат, возможно, нам просто "повезло" с таймингом.
Форма сигнала перехода при подключении.
Включение ИБП, когда он отключен от сети, еще интереснее наблюдать: он генерирует синусоиду и постепенно увеличивает амплитуду в течение пары сотен миллисекунд.
Форма сигнала включения (отключен от сети).
Поскольку у меня было зарядное устройство на 60 Вт, я также подключил его к этому ИБП. Похоже, оно тянет вниз вершину генерируемого синусоидального выхода (сравните изображения в карусели ниже). Это потребует дополнительных испытаний с нагрузками, так как я не ожидал такого драматического влияния.
Форма сигнала питания от батареи без нагрузки.
Возможные направления исследования
Только исследование, описанное выше, открывает множество различных направлений, которые можно изучить. Мы планируем далее рассмотреть время переключения, качество формы сигнала/гармоники, нагрузочное тестирование, поведение при скачках напряжения и, в конечном итоге, насколько хорошо блоки питания ATX (компьютерные) заполняют пробел.
Помимо этого, дайте нам знать, если у вас есть вопросы, которые мы можем изучить или попытаться ответить. Если будет достаточно интереса к этой теме, то может появиться коммерческое обоснование для покупки дополнительных щупов или оборудования.
Source: lttlabs.com
Несмотря на все это, мы решили пренебречь осторожностью и проверить некоторые ИБП из офиса. Тестирование ИБП и защиты от скачков может идти во многих направлениях, поэтому эта статья будет посвящена тестовой установке и интересным результатам исследования.
Неиссякаемый запас источников бесперебойного питания.
Тестовая установка
Мы говорим это серьезно, не пытайтесь повторить это дома.
Наше предыдущее нежелание измерять ИБП было связано с подключением нашего очень хорошего осциллографа Rohde & Schwarz MXO58 стоимостью 50000 долларов напрямую к сетевому питанию. Те, кто не знаком с осциллографами, могут не знать, что заземляющий ("земля") контакт щупа электрически соединен непосредственно с землей всех остальных каналов осциллографа и с землей в вашей розетке. Это не просто удобный способ обозначить отрицательное/опорное соединение щупа, и это может создать непреднамеренные пути прохождения тока, если вы неосторожны.
Основная проблема при зондировании этого оборудования заключается в создании гигантского пути прохождения тока через сетевое соединение, щуп, осциллограф и обратно через панель подключения к розетке. Эта непреднамеренная цепь может серьезно повредить любое чувствительное измерительное оборудование в петле до того, как автоматический выключатель или устройство защитного отключения (GFCI) разомкнут цепь. Хотя существуют безопасные соединения, которые можно сделать, нет гарантии, что проводка в здании подключена правильно или что нет разности потенциалов, которая может вызвать проблемы. Это становится еще сложнее, если учесть проводку ИБП и то, как он может переключаться между подачей сетевого питания или сигнала от аккумуляторной резервной системы.
Это можно сделать безопасно с помощью высоковольтных дифференциальных щупов, таких как R&S RT-ZHD, но у нас их нет. Зато у нас есть Chroma 61507, программируемый источник переменного тока (AC), способный генерировать собственный гальванически изолированный сигнал переменного тока. Сигнал переменного тока, создаваемый Chroma 61507, гальванически развязан от "земли", обеспечивая плавающий источник. Подключение заземляющего соединения щупа осциллографа к нейтральному выходу источника переменного тока просто привязывает его к земле, и петли цепи не создаются.
Чтобы не втыкать щупы непосредственно в розетки, мы добавили 2x1 разъем Molex Mini-Fit к сетевому кабелю. Эта установка все еще требует значительной осторожности.
Щуп осциллографа.
С учетом этих соединений наша простая установка показана ниже. Мы можем зондировать вход или любой из выходов ИБП.
Блок-схема.
Следующим этапом развития этой установки было бы зондирование входа и выхода ИБП одновременно, но мы не считаем, что полностью учли все, что может пойти не так, и пока не хотим рисковать.
ИБП для тестирования
По офису разбросаны вездесущие APC BN1500M2-CA, наша инвентаризация сообщает о 28 таких устройствах, и я взял несколько для этого тестирования. Я также позаимствовал APC BE750G и Eaton SMART1500PSRTNC, соответственно менее и более дорогие варианты в нашей инвентаризации.
ИБП для тестирования.
Они тестировались при различной степени заряда, и, как мы увидим в тестировании, один из блоков BN1500M2-CA находится в серьезном неисправном состоянии. Кроме того, прискорбно, что производители ИБП, похоже, пытаются минимизировать количество кнопок и общаться о состоянии батареи, питания, выходе и состоянии только через загадочные глифы. Мы ждем открытия Розеттского камня глифов ИБП, но пока нам часто приходится обращаться к руководствам, чтобы понять, что они пытаются нам сказать.
Предварительные результаты тестирования
Это тестирование не нацелено на ответ на конкретный вопрос, а скорее представляет собой исследование различных состояний и выходов ИБП. Если не указано иное, тесты проводились с входным напряжением 115 В или 120 В переменного тока и без нагрузки.
Для тех, кто не знаком с осциллографами и формами сигналов, показанными ниже, ось X представляет время, а ось Y представляет измеренное напряжение. Обратите внимание на бирюзовую нумерацию внизу захвата, так как диапазон времени может варьироваться между захватами. Волнистая бирюзовая линия - это напряжение, измеренное щупом осциллографа.
Я также добавил несколько красных аннотаций, так что, надеюсь, они будут полезны.
Eaton SMART1500PSRTNC
Начнем с Eaton SMART1500PSRTNC. Это линейно-интерактивный ИБП, способный генерировать чистую синусоиду на выходе. Линейно-интерактивность означает, что он постоянно отслеживает входное питание не только на предмет сбоев, при которых он возьмет управление на себя, но и для внесения небольших корректировок при фильтрации входного питания.
Eaton SMART1500PSRTNC.
В то время как некоторые менее дорогие ИБП генерируют и выдают имитированные (также называемые "модифицированными") синусоиды, ИБП с чистой синусоидой на выходе будут правильно генерировать гладкую синусоиду, соответствующую сигналу переменного напряжения, который ожидают ваши устройства. Графика ниже показывает чистую синусоиду и имитированную синусоиду.
Сравнение синусоид. Источник:
У вас нет разрешения на просмотр ссылки, пожалуйста Вход или Регистрация
Большинство базового бытового оборудования будет работать без проблем при питании от имитированной синусоиды, но чувствительное оборудование может вести себя нестабильно, издавать гудящий шум или работать немного менее эффективно.
При подключении и включении ИБП будет пропускать сетевое питание на выходы, как показано на записи ниже. Это очень хороший синусоидальный сигнал (чистая синусоида), генерируемый источником переменного тока Chroma 61507.
Форма сигнала при подключении и включении.
ИБП переключится с режима сетевого питания на режим питания от батареи, когда он будет отключен от стены. Это было зафиксировано несколько раз, результаты показаны ниже.
Плоский, а затем волнистый участок в середине захвата - это задержка и переход между моментом отключения сигнала сетевого питания и включением сигнала питания от батареи.
Пример формы сигнала перехода при отключении 1.
В одном случае ИБП смог быстро восстановиться и даже совпасть по фазе с основным сигналом (в результате чего период составил около 16 мс), но в другом тесте ИБП был немного медленнее. Это демонстрирует по крайней мере некоторую вариативность при тестировании ИБП. Результаты могут варьироваться в зависимости от того, где (когда) прерывается входной сигнал, и от типа подключенной нагрузки.
При тестировании в обратном направлении, подключении ИБП для перехода от питания от батареи к сетевому питанию, мы зафиксировали сигнал ниже. Предположительно, эти результаты всегда будут более стабильными, так как ИБП может контролировать, когда переключаться на альтернативный источник питания. Это показывает почти непрерывную синусоиду, и переключение, вероятно, не будет "замечено" подключенным оборудованием.
Форма сигнала перехода при подключении.
Обратите внимание, что генерируемый ИБП синусоидальный сигнал имеет выброс/заминку при каждом переходе через 0 В. Это также наблюдается при тестировании блоков APC. Это мешает ему быть идеальной имитацией синусоиды, но, вероятно, не окажет большого влияния на подключенное оборудование.
APC BE750G
Понятно (он гораздо менее дорогой), менее впечатляющей моделью является APC BE750G. Он имеет некоторые управляемые от мастера розетки и другие розетки, которые только защищены от скачков, но, как мы увидим, выходной сигнал не такой хороший.
APC BE750G.
Начиная с ИБП, подключенного к сети и находящегося в режиме ожидания, устройство было отключено, и включился резервный аккумулятор. Плоский участок формы сигнала посередине - это снова момент, когда ИБП не подавал питание, а затем ступенчатая прямоугольная волна справа - это имитированная синусоида, генерируемая ИБП.
Это понятно и ожидаемо при гораздо более низкой цене этой модели, но на это завораживающе смотреть. Несмотря на очень ступенчатый сигнал, ИБП смог переключиться относительно быстро.
Форма сигнала перехода при отключении.
Обратите внимание, что, хотя имитированная синусоида сильно отличается от чистой синусоиды, она все равно будет иметь период (длину цикла) примерно 16,6 мс, чтобы соответствовать частоте 60 Гц.
Мощное оборудование, подключенное к ИБП, имеет собственную входную фильтрацию и коррекцию коэффициента мощности для работы с неидеальной имитированной синусоидой, но оно не будет работать так же эффективно, и внезапные изменения напряжения и тока могут создавать вибрации, шум и дополнительное тепло.
При переходе в обратную сторону, подключении ИБП во время его работы в режиме от батареи, мы видим несколько более плавный переход и возобновление синусоиды, генерируемой Chroma 61507.
Форма сигнала перехода при подключении.
Мы также измерили момент включения ИБП, когда он ранее не был подключен к сети (только от батареи). Он сразу переходит к имитированному сигналу синусоиды.
Форма сигнала включения.
APC BN1500M2-CA
Рассматривая линейно-интерактивный APC BN1500M2-CA, мы протестировали одну модель, но нам пришлось привлечь резервную из-за неожиданных результатов.
APC BN1500M2-CA.
Первый подключенный нами блок показал эту хорошую синусоиду при подключении к питанию. Это чистый синусоидальный сигнал, подаваемый сетью (в нашем случае - источником переменного тока).
Форма сигнала сквозного пропускания сетевого питания.
Когда ИБП отключен от сети и должен генерировать свой собственный сигнал, мы видим то, что показано на записи ниже. Теоретически, этот ИБП должен выдавать чистую синусоиду.
Форма сигнала при питании от батареи.
Иногда блоки питания могут вести себя нестабильно, когда они включены без нагрузки, и я подумал, что это может быть здесь. Я подключил 60 Вт USB-C зарядное устройство, но это лишь немного снизило пик сигнала. Очевидно, это не единственная проблема.
Форма сигнала при питании от батареи с небольшой нагрузкой.
Я еще не пробовал тщательно отлаживать этот ИБП, но это кажется чем-то большим, чем просто необходимость в новой батарее.
Когда он не подключен к сети, переходы в режим питания от батареи и из него (отключение и подключение) показаны на записях ниже.
Форма сигнала включения (питание от батареи).
Тестирование второго образца (извините за прерывание)
Используя другой образец, мы можем видеть относительно плавный переход и правильную синусоиду, когда ИБП отключен от сети. Обратите внимание, что этот ИБП также имеет выброс/заминку после перехода через 0 В. Ниже приведены два примера перехода ИБП из подключенного состояния в отключенное.
Этот ИБП не может поддерживать фазу входного сигнала питания, и период нулевого/нестабильного напряжения составляет около 10 мс. Это находится на грани того, при котором большинство ATX блоков питания смогут поддерживать выходную мощность при полной нагрузке. Мы должны будем проверить это когда-нибудь...
Форма сигнала перехода при отключении.
Переход от выходного сигнала батареи к выходному сигналу сети (подключение ИБП) происходит еще плавнее. Перерыв практически отсутствует. Весьма маловероятно, что подключенное оборудование отключится или даже отреагирует на изменение. Я не могу гарантировать, что это будет стабильный результат, возможно, нам просто "повезло" с таймингом.
Форма сигнала перехода при подключении.
Включение ИБП, когда он отключен от сети, еще интереснее наблюдать: он генерирует синусоиду и постепенно увеличивает амплитуду в течение пары сотен миллисекунд.
Форма сигнала включения (отключен от сети).
Поскольку у меня было зарядное устройство на 60 Вт, я также подключил его к этому ИБП. Похоже, оно тянет вниз вершину генерируемого синусоидального выхода (сравните изображения в карусели ниже). Это потребует дополнительных испытаний с нагрузками, так как я не ожидал такого драматического влияния.
Форма сигнала питания от батареи без нагрузки.
Возможные направления исследования
Только исследование, описанное выше, открывает множество различных направлений, которые можно изучить. Мы планируем далее рассмотреть время переключения, качество формы сигнала/гармоники, нагрузочное тестирование, поведение при скачках напряжения и, в конечном итоге, насколько хорошо блоки питания ATX (компьютерные) заполняют пробел.
Помимо этого, дайте нам знать, если у вас есть вопросы, которые мы можем изучить или попытаться ответить. Если будет достаточно интереса к этой теме, то может появиться коммерческое обоснование для покупки дополнительных щупов или оборудования.
Source: lttlabs.com