Вопрос или проблема
Я хотел бы купить стойковый ИБП, который поддерживал бы всю электронику, связанную с ИТ, в офисе малого бизнеса. Это включает в себя коммутаторы, маршрутизаторы, ПК, серверы, NAS. В ходе моего исследования я выяснил, что существуют разные типы ИБП, и те, которые генерируют чистую синусоиду, являются лучшими. Однако они также гораздо дороже, чем, например, ИБП с модифицированной синусоидой.
Каково применение ИБП с чистой синусоидой? Будет ли это иметь какие-либо преимущества в моем случае использования, или это избыточно?
Устройства, которые учитывают качество AC питания
Классическим примером устройства, которое исходит из такого предположения, является аналоговый аудиоусилитель, разработанный в начале 1970-х или ранее, или более современный экземпляр, созданный в том же духе. Линейное регулирование выделяет слишком много тепла, чтобы быть практичным в таком устройстве, технология низкошумного переключающего регулирования в то время не была доступна, и поэтому усилители того времени были спроектированы с в основном нерегулируемым питанием, непосредственно питающим усилительные каскады. Грязное питание проявляется в части выходного сигнала, в зависимости от того, насколько много обратной связи у усилителя.¹ Это одна из двух основных причин линейного гудения в старых усилителях.²
Еще одним примером схемы, где качество питания может повлиять на работу устройства, является что-то с AC мотором, например, сетевой электрический дрель, где скорость мотора является прямой функцией напряжения, подведенного к нему. Напряжение, которое не увеличивается и не уменьшается плавно, вызовет колебания в скорости. Шаги на выходе модифицированной синусоиды находятся в области сотен Гц, поэтому модифицированный ИБП, вероятно, станет причиной изменения работы мотора, которое вы действительно сможете услышать.
Хотя я бы не беспокоился слишком сильно о том, какое влияние плохое качество питания окажет на электрическую дрель, есть устройства с двигательным приводом, от которых я бы не хотел получать питание от некачественного ИБП, такие как аппарат CPAP.
Что касается вопроса о том, заботится ли какое-либо оборудование в вашем стойке SOHO о качестве выходного питания ИБП, то это зависит от дизайна блока питания каждого компонента.
Типы блоков питания
Устройства с сильной фильтрацией и регулированием блока питания, как правило, не заботятся о неидеальностях в модифицированной синусоиде. Важно лишь то, что они получают достаточную среднюю мощность и что питание находится в пределах допустимых пределов входного напряжения устройства.³
Наиболее распространенный тип блока питания, используемого для современных электронных устройств, это импульсный блок питания. Переключатели делают с питанием намного более неприятные вещи, чем просто наносят некоторые колебания на входную синусоиду, поэтому они уже должны обеспечивать много фильтрации, если нагрузочный контур требует чистого питания.⁴
Другой основной тип регулирования блока питания – это линейный регулятор, который обычно подавляет низкочастотный входной шум и пульсации на 80-100 дБ. Это означает, что немного входной неровности выйдет из фильтрации и регулирования как просто небольшая неясность. Я пытался придумать пример устройства, которое работало бы плохо из-за этой неясности, но ничего не приходит на ум. Когда вы подавляете шум настолько сильно, он становится несущественным для большинства схем, и именно поэтому линейные регуляторы по-прежнему используются, несмотря на их неэффективность.
Это оставляет нерегулированные блоки питания. Это похоже на случаи с AC моторами, описанные выше, за исключением того, что трансформатор снижает AC напряжение, которое затем обычно выпрямляется и фильтруется, чтобы производить неровное постоянное напряжение. Этот трехступенчатый процесс значительно снижает шум со стороны AC,⁵ поэтому возможно, что есть устройства, которые спроектированы с учетом того, что полученный шум и пульсации на выходе такого блока питания довольно чистые и будут раздражены сотнями Гц искажений, выходящими из модифицированного ИБП.
Осциллограммы
После того как fixer1234 добавил изображения в свой ответ, я подумал, что модифицированная синусоида не может быть так плохой, верно? Я имею в виду, они собираются использовать более четырех ступеней за цикл, прямо так? Верно?
Я решил захватить осциллограммы всех ИБП, которые у меня есть здесь, для науки! Все они произведены одной и той же компанией, но они из разных периодов продуктовой линейки этой компании.
Для справки, вот как выглядит нефильтрованное AC напряжение на тестовом месте, с напряжением против времени слева и спектральным графиком той же формы волны справа:
Большой пик на левом краю спектрального графика – это 60 Гц основная частота. Большие гармонические пики, которые вы видите, показывают, что мое сетевое питание здесь не супер-чистое. Самый большой – это 2-я гармоника на 120 Гц посередине графика, на 30 дБ ниже основной частоты, за которой следует 3-я гармоника на 180 Гц в правом краю графика. А потом есть этот загадочный пик на 85 Гц, по которому у меня нет объяснения.
Этого достаточно искажений, чтобы они проявились на осциллограмме слева: обратите внимание на несколько сплюснутых пиков.
Я протестировал пару различных ИБП с истинной синусоидой, которые были довольно дорогими. Их выход выглядит так:
Ваши глаза не обманывают вас: выходной AC, работающий от батареи, от этого конкретного ИБП чище, чем моя сетевая электроэнергия! Этот ИБП будет питать любое электронное устройство в пределах его допустимых нагрузок, потому что его выход на батарее максимально близок к идеальному сетевому питанию.
Если ИБП служит достаточно долго, стоимость замены батарей превышает первоначальную стоимость. Если вы покупаете качественные ИБП, следовательно, учитывайте больше эксплуатационные расходы ИБП, чем первоначальную цену покупки.⁶
ИБП среднего класса от того же производителя стоит около ⅓ стоимости ИБП с истинной синусоидой с теми же характеристиками. Вероятно, он будет также меньше и легче. А вот подводное камень? Это:
Хотя это гораздо лучше, чем тот выход, который мы ожидаем по посту fixer1234, он не красив. Не только на выходе этого ИБП много широкополосного шума и искажений, но и те два обратных зацепа, которые вы видите на каждом цикле, могут раздражать цепи, которые предполагают, что входное AC напряжение всегда увеличивается или уменьшается равномерно.
Тем не менее, хорошо отфильтрованный и отрегулированный блок питания уберет все это, так что такие устройства будут работать от этого ИБП вполне нормально. У меня никогда не было проблем с устройствами, подключенными к этому ИБП. Поскольку это именно ИБП, который поддерживает основные компоненты моей домашней сети, я думаю, я бы заметил, если бы они перезагружались при каждом коротком замыкании.
Одна из причин, по которой я не даю здесь названия марок и моделей, заключается в том, что это не очень хороший показатель качества выходного питания от батареи. Я протестировал близкого родственника предыдущего ИБП и получил совершенно другой результат:
Это, по сути, реальная версия идеализованной формы волны, показанной в ответе fixer1234. Ответ на мой вопрос выше, таким образом, “Да, действительно, существуют ИБП с такой плохой качеством выходного питания.”
И да, это может действительно иметь значение на практике. Фактически, я выбрал протестировать выход этого конкретного ИБП для этого ответа, потому что он нам раньше создавал проблемы.
У нас был ПК с высоким качеством, подключенный к этому ИБП, и при каждом коротком замыкании ПК — и только ПК — перезагружался. Все остальное, подключенное к “батарейным” розеткам, оставалось включенным. Это было так странно, что я в какой-то момент на самом деле написал программу Arduino, чтобы регистрировать “живость” на протяжении нескольких недель, чтобы попытаться обнаружить отключения питания. Эта маленькая плата оставалась запущенной всё это время, даже когда ПК перезагружался. В конце концов мы переместили этот ИБП на большой сервер, ожидая, что большая нагрузка также вызовет тот же симптом, но нет: ИБП продолжает держать этот сервер включенным через несколько коротких замыканий теперь.
Качество выходного питания этого ИБП не на дне. Вы сидите? Вот ИБП низкого класса от той же компании, которая сделала все три предыдущих ИБП:
Ох!
Теперь вы видите, почему эта линия ИБП низкого класса стоит примерно вдвое дешевле, чем ИБП среднего класса.
Тем не менее, я никогда не видел, чтобы одно из устройств, подключенных к этому ИБП, не смогло справиться с отключением питания.
Выводы
Многие устройства просто не слишком заботятся о качестве AC питания. Экстремальный пример – это лампа накаливания, но любое устройство с хорошо отрегулированным и хорошо отфильтрованным блоком питания должно справляться с неопрятным AC входом.
Как мы видели выше и в других ответах, существуют устройства, которые не справятся с плохим входным питанием. Для этих случаев вам нужен ИБП с истинной синусоидой.
Отступления:
-
Некоторые конструкции усилителей имеют очень мало обратной связи. Это своего рода религиозный вопрос в кругах аудиофилов, где реакционные экстремисты считают, что лучшие усилители имеют мало или совсем не имеют обратной связи.
-
Другой главной причиной гудения усилителей является земляной контур.
-
Именно поэтому вы часто видите блоки питания, помеченные как принимающие 90-260 VAC или что-то подобное. Если такой блок питания получает 200 VAC, он просто будет потреблять половину тока, как если бы он получил 100 VAC, позволяя ему передавать ту же мощность в питаемый контур. P=VI
-
Даже устройства, которым не так важно чистое питание, часто должны иметь фильтрацию входного питания, чтобы соответствовать нормам ЭМС.
-
Для сравнения с линейным регулированием, типичный нерегулируемый блок питания может снизить шум со стороны AC примерно на 20 дБ.
Децибелы — это логарифмическая шкала, где каждые 6 дБ разницы между двумя напряжениями — это удвоение или уменьшение на половину. Таким образом, снижение шума линейного регулятора на 80 дБ не в 4 раза лучше, чем 20-ть, которые вы получаете от типичного нерегулируемого блока питания, это примерно в 1,000 раз лучше! Падение с 20 дБ до 100 дБ, которое вы получаете от действительно хорошего линейного регулятора, означает, что выход на 10,000 раз тише входа.
- Предположим, вы решили купить ИБП с истинной синусоидой за 500 долларов, несмотря на то, что вы можете получить хороший ИБП с модифицированной синусоидой с такими же характеристиками за 150 долларов. Типичной батарее ИБП необходимо заменять каждые 3 года, что может стоить 150-200 долларов для модели с истинной синусоидой. Это составит 50-66 долларов в год × 12 лет ≈ 600-800 долларов, что делает затраты на батарею доминирующим элементом в расчетах стоимости.
ИБП более высокого класса, как правило, имеют физически более крупные батареи для данного уровня VA, поэтому стоимость замены батареи для ИБП зависит от того, сколько вы изначально заплатили за ИБП. Вы можете, таким образом, выбрать покупку ИБП низкого класса, чем вам хотелось бы, учитывая графики выше, потому что долгосрочные эксплуатационные расходы были бы слишком высоки с ИБП более высокого класса.
