План лекції. 1. Джерела безперервного живлення

Лекція №4.3

“Енергобезпека ПК”

1. Джерела безперервного живлення

2. Блок живлення

3. Системи охолодження

4. Нові технології систем охолодження

5. Засоби захисту ПК від перепадів напруги.

На жаль, питанням, пов'язаним з електроживленням пер¬сональних комп'ютерів, не завжди приділяється достатньо внима¬ния. Адже наявна статистика свідчить, що, по при¬чинам, пов'язаним із збоями в електромережі, в 75% випадків про¬исходит втрата інформації і в 65% виходить з ладу саме элек¬тронное устаткування. У деяких ситуаціях втрата даних на комп'ютерах в офісі здатна привести просто до катастрофиче¬ским результатів. Відомі випадки, коли фірми несли матері-альниє збитки, що перевищують десятки тисяч доларів, тільки із-за втрати важливої інформації, що зберігається на комп'ютерах.

Істотним моментом при устаткуванні офісу є правильна розводка ліній електроживлення (220 В). Бажано, наприклад, щоб розетки для підключення персональних компь-

ютеров і периферійних пристроїв відрізнялися від розеток для под¬ключения могутніх побутових приладів: пилососів, натирачів і т.п. Всі вузли одного персонального комп'ютера і підключене до нього периферійне устаткування повинні живитися від однієї фази електромережі. За всіма правилами повинні бути виконані і шини «земля»: радіально з однією загальною крапкою. Для відключення комп'ютерного устаткування повинен використовуватися окремий щит з автоматами захисту і загальним рубильником.

Проте, не дивлячись на дотримання всіх цих правил, частину про¬блем, пов'язаних з якісним електроживленням комп'ютерів, як і раніше залишається. Це може торкатися як повного отклю¬чения мережевої напруги, короткочасних його провалів, пе¬ренапряжений, гармонійних спотворень, так і різних элек¬тромагнитних і радіочастотних шумів. Щоб виключити і по¬добние неприємності, слід скористатися спеціальними додатковими пристроями. Але раніше ми детальніше зупинимося на проблемах, пов'язаних з електричною мережею.

Проблеми в електроживленні

Очевидно, що найпростіша для розуміння неприємність з електроживленням - його повне відключення (blackout). Причини цього, не такого вже рідкісного, на жаль, події достатньо різноманітні: від форс-мажорних до комічних. До нього можуть привести, наприклад, як аварія на електричній підстанції або замикання проводів в ураган, так і відключення кимось ав¬томата зашиті на розподільному щиті. Але, на жаль, незалежно від причини, що викликала відключення живлення, по¬следствия цієї події бувають, як правило, найсумніші. Це може бути повна втрата даних на «електронних» дисках і в кеш-пам'яті, а при роботі в мережевій операційній системі найбільш вірогідний крах таблиць розміщення файлів на диску. У самому гіршому випадку може відбутися пошкодження электрон¬них елементів самого комп'ютера.

Не так помітні для очей короткочасні «провали» питаю¬щего напруги протягом доль секунди, так звані sags або brownout. Причина короткочасного пониження напряже¬ния живлячої мережі криється зазвичай у включенні могутніх элек¬трических машин, таких, наприклад, як ліфти, компресори, мотори і т.п. Таке явище, як «плаваюче» (рухоме в часі, але не періодичне) пониження живлячого напряже¬ния (rolling brownout), може бути викликане включенням прибо¬ров кондиціонування повітря або обігрівачів. Це, як пра-

вило, веде до втрати даних, нахо¬дящихся в енергозалежній памя¬ти.

Короткочасні підвищення живлячої напруги мережі також нічого хорошого для комп'ютера не несуть. Розрізняють зазвичай два віца подібного порушення элек¬тропитания: кратковремен¬ное підвищення на частки се¬кунди (surge) і імпульсне підвищення з амплітудою не меншого 100% від номинально¬го і тривалості 0,5-100 мкс (spike). Такі импульс¬ние перешкоди викликаються зазвичай аварійним состоя¬нием освітлювальною аппара¬тури, аварією електричних машин або замиканням проводів в грозу або ураган. Взагалі кажучи, будь-яке підвищення живлячої напруги вище допустимого рівня в піке або по среднеквадратічеському значенню веде до пошкодження электрон¬них компонентів апаратури і передчасного виходу їх з ладу.

Зазвичай електронний шум породжується або роботою электричних машин (EMI), або функціонуванням пристроїв (RFI). Таким чином, причинами, що його викликають, можуть бути як лампи освітлення і робота промислового обладнання, так і могутній радіопередавач. Оскільки під впливом сильного шуму форма синусоїдальної напруги живлення може бути серйозно спотворена, то це веде, як правило, до апаратних збоїв (glitch) і помилок при виконанні програм.

Резюмуючи цей "неприємний" розділ, можна сказати, що эфект зміни живлячої напруги може мати для работи комп'ютера найсумніші наслідки - від повної втрати даних до пошкодження його електронних компонентів. Тому застосування різних пристроїв типу регуляторів і стабилизаторов напруги, спеціальних мережевих фільтрів виправдано майже завжди.

Класифікація пристроїв захисту

Найпростіший захист по живленню зазвичай забезпечують так звані обмежувачі перенапруженні. Ці пристрої зможуть оберегти навантаження від різного роду викидів і сплесків живлячої напруги електромережі, а також радио¬частотних шумів. Деякі з таких приладів гарантують максимальний робочий струм до десятка ампер (при напрузі 220-240 В) і можуть забезпечувати захист в одному з трьох режимів: «фаза-нейтраль», «фаза-земля» і «нейтраль-земля». Подоб¬ние пристрою випускають, наприклад, фірми American Power Conversion (APC), TrippLite, Best Power Technology.

Вищий рівень захисту забезпечують пристрої нор¬мализации, які надійно «очищають» живлячу напругу від всіляких шумів і дозволяють регулювати його в доста¬точно широкому діапазоні. Деякі моделі таких пристроїв в силах запобігти навіть короткочасним провалам в питаю¬щем напрузі. Потужність навантаження, що підключається до таких пристроїв, може варіюватися (залежно від моделі) від сотень ВА до одиниць КВА. У тому випадку, коли в даних приладах використовується технологія феррорезонансного перетворення, вони можуть забезпечувати повну розв'язку по частоті, не допускаючи про¬никновения високочастотних шумів в ланцюзі навантаження. Ферроре-зонансний трансформатор до того ж чудово захищає від стрибків напругу, а також сплесків і викидів в живлячій мережі. Наприклад, амплітуда випадкового піку може бути умень¬шена в сотні разів.

Безперебійні джерела живлення

Забезпечити роботу навантаження при повному відключенні электро¬питания (blackout) можуть тільки пристрої, звані UPS (Uninterruptible Power Supply), або БІП (Безперебійний Источ¬ник Живлення). Функціонально такий прилад практично завжди складається з пристрою придушення перешкод, зарядного устрой¬ства, батареї акумуляторів і преобразователя напруги (постоянноє-переменноє). Всі пропоновані в даний час БІП можна умовно підрозділити на декілька груп.

них джерел живлення. Конструктивно дані пристрої виглядають як крема плата розширення, що вставляється у відповідний роз'єм на системній платі комп'ютера. У БІП цього типу відсутній перетворювач напруги, оскільки ланцюги живлення підключені безпосередньо до батареї акумуляторів, яка і видає необхідні рівні постійної напруги. Самі ж акумулятори подзаряжаються, звичайно, же від електромережі. Все це є несомнен¬ним перевагою таких БІП і позначається на їх невисо¬кой вартості. Проте відмітимо, що подібні БІП не можуть захистити від неприємностей в мережі електроживлення ні мони¬тор, ні зовнішні накопичувачі, ні інші периферійні пристрої. Установка вбудовуваних БІП не дуже складна, але вимагає уваги і акуратності. Виробництвом подібних UPS займаються, зокрема, фірми Emerson Computer Power і Powercard.

Найбільш численні групи БІП складають устройст¬ва, що мають топологію on-line (постійно включені) і off-line або standby (резервні) (мал. 3 і 4). До речі, БІП, относя¬щиеся до останньої групи, у свою чергу можуть бути поділені на дві підгрупи: standby hybrid UPS і standby-ferro UPS (гибридне і феррорезонансне). Підгрупа пристроїв, виполнен¬них по топології line-interactive (інтерактивні БІП), вигля¬дит декілька відособлено, хоча найчастіше подібні устройст¬ва відносять до типу standby (або hybrid) UPS. Як вже говорилось, до складу БІП зазвичай входять стабілізатор (пристрій придушення перенапруження і фільтр), зарядний пристрій, акумулятори (можливо, кислотні), перетворювач постійної напруги в змінну (DC/AC), інакше званий інвертором, і перемикач вихідної напруги.

Постійно включені БІП (що працюють в режимі on-line) забезпечують енергопостачання підключених пристроїв від батареи акумуляторів через перетворювач напруги незави¬симо від стану електромережі, тоді як резервні UPS переходять на такий режим роботи тільки при повному отключе¬нии зовнішньої живлячої напруги.

Для постійно включених БІП в робочому режимі використовується «вітка», що включає зарядний пристрій, акумулятори і перетворювач. Таким чином, енергоживлення підключених до такого БІП пристроїв походить від свідомо «чистого» джерела і не залежить від «капризів» електромережі. Зарядний пристрій в цьому випадку повинен бути достатній могутнім, що приводить, із зрозумілих причин, до свідомо великих габаритних розмірів самого БІП. Крім того, вимоги до електронних компонентів, на яких виконані функціональні вузли такого БІП, істотно підвищуються. У разі виходу з ладу якого-небудь компоненту робочої «вітки» подібного БІП, живлення підключених пристроїв здійснюється в резервному режимі безпосередньо від мережі по другій «вітці» через стабілізатор. Із-за високих вимог до компонентів (особливо акумуляторам) класична схема включення on-line на практиці не використовується. Замість неї застосовуються різні схеми подвійного і потрійного перетворення. Так, остання технологія полягає в перетвореннях напруги: переменноє-постоянноє, постоянноє-постоянноє (з використанням широтно-імпульсної модуляції) і постоянноє-переменноє. Відмітимо, що в нормальному режимі роботи в цьому випадку акумулятор не розряджається. Зокрема, це дозволяє гарантувати коефіцієнт гармонійних спотворень не вище 5% при зниженні вхідного рівня напруги навіть на 50%.

Для резервних БІП все виглядає з точністю до навпаки:

«вітка» із стабілізатором є основною, а з аккумулято¬ром - резервною. Зокрема, класична топологія резерв¬ного БІП використовується в моделях серії BACK-UPS фірми АРС і моделях серії Patriot фірми Best Power Technology.

Функціональна блок-схема, що пояснює принцип дії UPS, що використовують топологію line-interactive (інтерактивні БІП), приведена на мал. 6. Однією з основних відмінностей від класичної топології standby UPS є, наприклад, наявність вузла Smart-Boost. Це дозволяє при короткочасних провалах

(brownout) напруга до 12% від номінального не переходити на живлення від акумуляторів, а «витягати» рівень вихідної напруги за рахунок посилення вхідного. Переваги такого технічного рішення особливо яскраво виявляються при «грязній» електромережі. Дійсно, звичайний резервний БІП навіть при короткочасному падінні вхідної напруги переключається на резервну «вітку» з акумулятором, оскільки він повинен забезпечити стабільну вихідну напругу. Якщо «провали» вхідної напруги слідують достатньо часто, БІП починає працювати практично на акумуляторах, які порівняно швидко (залежно від навантаження) розряджаються.

Іншою не менш важливою відмінністю від класичної схеми є те, що перетворювач напруги (DC/AC) постоян¬но підключений до виходу БІП. Таким чином, при розмиканні перемикача на виході вже присутнє відповідне на¬пряжение живлення. Як приклади подібних пристроїв можна привести моделі Fortress фірми Best Power Technology і моделі SMART-UPS фірми АРС. Відмітимо, що останні моделі найбільш популярні.

Основним вузлом феррорезонансних моделей БІП є, зрозуміло, феррорезонансний трансформатор, який має Дві первинні обмотки. У нормальному режимі роботи напруга від мережі поступає через перемикач на одну з первинних обмоток трансформатора, а при збої живлення - від акумулятора через перетворювач на іншу. Наявність ферро-резонансного перетворення дозволяє гарантувати високий рівень гальванічної розв'язки, практично синусоїдальну форму вихідної напруги, а також виключити більшість «неприємностей» в електроживленні (особливо імпульсні помехи). Зрозуміло, подібні пристрої не позбавлені і опреде¬ленних недоліків. Прикладом подібних БІП можуть служити моделі Ferrups фірми Best Power Technology.

У окрему групу пристроїв варто виділити безперервні акумуляторні системи UBS (Uninterruptible Battery System). По суті, будь-яка з таких систем вдає із себе маленьку элек¬тростанцию: кероване мікропроцесором джерело посто¬янного струму з приводом від двигуна (система «мотор-генератор»). При використанні UBS можна гарантувати надійне електроживлення протягом годинника, днів і навіть тижнів, причому при цьому не вимагається заміни дорогих елементів (аккумуляторов).

Для локальних обчислювальних мереж велике значення име¬ет автоматичний контроль стану БІП, підключеного до сервера. Для цієї мети в мережеві операційні системи вклю¬чаются спеціальні програми, а БІП доукомплектовувалися відповідними платами контролю (UPS Monitoring Board).

Для з'єднання з БІП (за винятком вбудовуваних) використовується зазвичай або спеціальний інтерфейс, або стандартний послідовний інтерфейс RS-232, або mouse-порт (зазвичай тільки для PS/2).

На закінчення варто відзначити, що що існує классификація UPS вельми умовна, що дає привід деяким фірмам-производителям подібних пристроїв спекулювати на терминології. Мабуть, з впровадженням нового європейського стандарту EN50091 Part 3 положення справ може змінитися. Зокрема, I даний стандарт визначає такі категорії БІП, як пассивний резевний (Passive Standby), активний резервний (Active Standby) і постійної дії (Continuous Operation). У част¬ности, активний БІП відрізняється від пасивного наявністю вузла типу Smart-Boost. Крім того, в активних БІП навантаження живиться від UPS у разі збою по живленню тільки через інвертор. Ключовим моментом БІП постійної дії є живлення навантаження через інвертор, який, як правило, від неї гальвани¬чески розв'язаний.

Вибір відповідного БІП

В даний час на вітчизняному ринку пропонуються сред¬ства захисту по електроживленню, що випускаються, зокрема, фир¬мами American Power Conversion, Victron, Upsonic, Leadman Elec¬tronics, Para Systems, Tripp Lite, Exide Electronics і поряд інших. Для того, щоб вибрати найбільш відповідну для вас модель, потрібно знати відповіді на декілька питань.

По-перше, які проблеми з електроживленням ви збираєтесь вирішити. При мінімальних вимогах ви цілком обойде¬тесь обмежувачем перенапружень, ну а за найжорсткіших умов вам знадобляться безперервні акумуляторні сис¬теми. Таким чином, в першу чергу слід визначити уро¬вень захисту.

Після того, як ви вирішили, що без БІП вам не обійтися, наступним кроком повинен бути вибір топології UPS. Зазвичай лише у тому випадку, коли потрібний безперебійне електроживлення деяких вимірювальних пристроїв, необхідна модель постійно включеного БІП. Це пов'язано з можливою втратою непоправної інформації при перемиканні режимів рабо¬ти, коли використовується резервний UPS. Проте у багатьох випадках цілком достатнім виявляється вибір інтерактивних БІП.

Важливим питанням при виборі БІП є потужність навантаження, що підключається до нього. Необхідну величину можна визначити, підсумувавши потужності що всіх підключаються до БІП пристроїв: системного блоку, монітора, зовнішніх накопичувачів. Як відомо, споживана потужність подібних пристроїв зазвичай указується у ватах (Вт), а потужність UPS - у вольт-амперах (ВА). Для комп'ютерів перерахунок цих значень проводиться сле¬дующим чином:

ВА = Вт х (1,5 або 1,6).

Відмітимо, що принтери (особливо лазерні) підключати до БІП не рекомендується. Річ у тому, що вони споживають чималу потужність, а безперебійна робота їх не так і важлива.

Наступне питання полягає у визначенні часу авто¬номной роботи (тобто при відключенні напруги в электромережі) на навантаженні відомої потужності, яке може забеспечить дана модель UPS. Як правило, у продавців БІП імеют-ся спеціальні таблиці, які з тим або іншим ступенем точности відповідають на це питання. Зазвичай потужність БІП вибирають так, щоб вона перевищувала споживану на 25-30%.

У такому разі час роботи від акумуляторів винен, як інимум, складати 5-6 хвилин. За деякими даними, загальну мощ¬ность рекомендується збільшити удвічі.

Слід також звертати особливу увагу на вихідну форму живлячої напруги, що забезпечується конкретним БІП (краще всього - «чистий синус»). У разі майже прямокутною форми напруги (як правило, це дешеві моде¬ли), що генерується, від покупки такого пристрою можна утриматися.

Як відомо, всі акумулятори мають свій термін служби, після закінчення якого їх необхідно замінити. У сучасних БІП найчастіше використовують різні моделі кислотних і никель-кадмієвих акумуляторів, термін служби яких може бути до 3-5 років і вище.

У тому випадку, коли БІП передбачається використовувати в локальної обчислювальної мережі, то перш за все необхідне вияснить, які мережеві операційні системи підтримують специальное програмне забезпечення, що поставляється разом з данной моделлю UPS. Окрім цього, велике значення має спосіб підключення БІП до сервера: за допомогою стандартного послідовного інтерфейсу, mouse-порту або спеціальної плати.

Важливою характеристикою БІП, призначеного для електроживленя окремого комп'ютера, що працює, наприклад, під MS-DOS є наявність світлової (і звуковий) індикації раз¬личних ситуацій. Це може бути сигналізація про перемикання режимів, розряді батарей, наявності перевантаження і т.п. Річ у тому, що при роботі в MS-DOS моніторинг повинен виконувати сам користувач.

Іноді буває необхідно скористатися спеціальними програмними пакетами, що поставляються разом з БІП. Вони, зокрема, дозволяють контролювати і реєструвати большин¬ство важливих характеристик конкретної електромережі (величину напруги, його форму, частоту і т.п.), а крім того, виконувати і розширену діагностику всієї системи.

У продавця БІП необхідно довідатися про термін гарантії, гарантійне обслуговування і можливість придбання, на¬пример, додаткових акумуляторів і інших аксесуарів.

Дата добавления: 2014-01-04