Как остановить кипение АКБ в ИБП заменой одного конденсатора в зарядной цепи

Запах кислоты в комнате. Батарея чуть тёплая на ощупь, а ИБП работает как ни в чём не бывало. Первая мысль: аккумулятор умирает, нужен новый. Покупается новый, ставится, и через месяц история повторяется. Кипит снова. Тогда приходит другая мысль, запоздалая: может быть, дело не в батарее? Может, её просто убивает сам бесперебойник? И вот здесь начинается настоящая диагностика, которая нередко заканчивается находкой одного единственного высохшего электролитического конденсатора в зарядной цепи.

Почему АКБ в ИБП кипит и чем это отличается от нормального заряда

Свинцово-кислотная батарея типа AGM или гелевая, которая стоит в большинстве бытовых ИБП, физически не предназначена для кипения в рабочем режиме. Это принципиальное отличие от обслуживаемых автомобильных аккумуляторов, где лёгкое газовыделение на финальном этапе заряда допустимо и даже полезно для выравнивания плотности электролита. AGM-батарея герметична. Газ, образующийся при избыточном заряде, частично рекомбинирует внутри, но при систематическом перезаряде этот процесс не успевает справляться с нагрузкой. Электролит постепенно убывает, пластины оголяются, ёмкость необратимо падает.

Нормальное зарядное напряжение для 12-вольтовой AGM-батареи в режиме постоянного подзаряда (float) составляет 13.5-13.8 В. В режиме ускоренного заряда после разряда напряжение поднимается до 14.4-14.7 В, но ток при этом ограничен и постепенно снижается по мере приближения батареи к полному заряду. Если зарядная цепь ИБП перестаёт корректно ограничивать ток или напряжение из-за деградации компонентов, батарея получает избыточную энергию, перегревается и кипит. Термин "кипение" здесь неформальный, речь идёт об интенсивном выделении водорода и кислорода из электролита, которое сопровождается характерным запахом и вздутием корпуса батареи.

Роль конденсатора 1000 мкФ 25 В в зарядной цепи и что происходит при его деградации

Зарядная схема большинства бюджетных ИБП построена на принципе импульсного преобразователя с обратной связью по напряжению на батарее. Конденсатор ёмкостью 1000 мкФ на напряжение 25 В в этой цепи выполняет роль фильтра выпрямленного напряжения и элемента, участвующего в петле обратной связи. Он сглаживает пульсации тока заряда, стабилизирует опорное напряжение для цепи сравнения и обеспечивает корректную работу узла ограничения зарядного тока.

Электролитический конденсатор стареет неизбежно. Внутренний электролит постепенно испаряется через уплотнения, ёмкость падает, а параметр ESR, эквивалентное последовательное сопротивление, растёт. Новый конденсатор 1000 мкФ имеет ESR порядка 0.05-0.15 Ом. У конденсатора, проработавшего 5-7 лет в условиях постоянного нагрева внутри корпуса ИБП, ESR вырастает до 1-5 Ом и выше. При таком сопротивлении конденсатор уже не справляется с фильтрацией. Пульсации напряжения в зарядной цепи возрастают, петля обратной связи начинает некорректно оценивать напряжение на батарее, и контроллер заряда устанавливает завышенное зарядное напряжение. Батарея получает больше энергии, чем нужно, нагревается и кипит.

Характерная деталь: внешний вид конденсатора при этом может оставаться абсолютно нормальным. Никакого вздутия крышки, никаких следов электролита на плате. Мультиметром ёмкость покажет что-то близкое к номиналу. Только ESR-метр или измеритель импеданса покажет реальную картину деградации. Именно поэтому такую неисправность так легко пропустить при беглом осмотре.

Диагностика перед заменой и как убедиться что виновник найден

Прежде чем выпаивать конденсатор, проводится несколько проверок, которые подтверждают или опровергают версию о его неисправности.

Первое: замер зарядного напряжения на клеммах батареи при подключённой сети. Для этого мультиметр подключается параллельно батарее, и прибор наблюдается в течение нескольких минут. Нормальное напряжение float-заряда для AGM 12 В находится в диапазоне 13.5-13.8 В. Если прибор показывает 14.5-15 В и выше в режиме покоя без разряда, это прямое свидетельство неисправной зарядной цепи. Завышенное напряжение подзаряда убивает батарею не за месяцы, а за недели.

Второе: температура батареи. Нормально заряженная батарея в ИБП не должна быть тёплой на ощупь. Если корпус батареи заметно нагрет при том, что нагрузка на ИБП минимальна или отсутствует, идёт аномальный нагрев от избыточного тока заряда.

Третье: осмотр платы зарядной цепи под лупой. На большинстве ИБП плата зарядника отдельна от основной платы инвертора или смонтирована в отдельном углу. Конденсаторы осматриваются на предмет потёмнения изоляции вокруг выводов, следов коричневого налёта на плате под корпусом и на торце конденсатора. Даже без вздутия эти признаки указывают на перегрев и деградацию.

Четвёртое: измерение ESR. Если под рукой есть ESR-метр, конденсатор проверяется прямо на плате при отключённом питании и разряженных цепях. Показание выше 0.5 Ом у конденсатора 1000 мкФ является основанием для замены.

Выпаивание конденсатора и выбор правильной замены

Перед выпаиванием ИБП полностью обесточивается: вилка из розетки, батарея отключается от платы. Электролитические конденсаторы в зарядной цепи способны накапливать заряд, и прикосновение к выводам без разрядки через резистор 1 кОм неприятно. После разрядки можно работать.

Выпаивание конденсатора с выводными (THT) контактами паяльником мощностью 25-40 Вт занимает 30-60 секунд. Каждый вывод прогревается паяльником с одновременным лёгким покачиванием конденсатора пинцетом. Спешить не нужно: контактные площадки для вывода на 1000 мкФ достаточно крупные, их сложно оторвать, но перегрев соседних мелких компонентов вполне реален. После извлечения конденсатора отверстия очищаются от остатков припоя оловоотсосом.

Выбор замены определяется несколькими параметрами. Ёмкость: строго 1000 мкФ, замена на номинал выше или ниже изменит динамику зарядной цепи. Рабочее напряжение: минимум 25 В, а лучше 35 В, это увеличивает запас по напряжению и продлевает ресурс. Температурный рейтинг: конденсатор на 105 градусов Цельсия предпочтительнее стандартного на 85 градусов, внутри корпуса ИБП температура нередко достигает 50-60 градусов при длительной работе. Серия Low-ESR или специальная серия для импульсных источников питания (обозначения типа "105°C, low impedance") обеспечит наилучший результат. Такие конденсаторы производят Nichicon, Panasonic, Rubycon, Samwha, и их ESR в новом состоянии составляет 0.03-0.08 Ом, в несколько раз ниже, чем у бюджетных аналогов.

Пайка, проверка и контроль напряжения после ремонта

Новый конденсатор устанавливается с обязательным соблюдением полярности. Минусовой вывод обозначается полосой на корпусе и более коротким выводом. Вывод вставляется в соответствующее отверстие на плате, маркировка которого всегда нанесена шёлкографией. Пайка выполняется с минимальным количеством флюса и аккуратным галтелем припоя: чрезмерный припой на соседних дорожках создаёт риск перемычки.

После пайки плата осматривается под лупой, флюс удаляется изопропиловым спиртом. ИБП собирается, батарея подключается, прибор включается в сеть. Через 10-15 минут мультиметром измеряется напряжение на клеммах батареи. Если ремонт дал результат, показание вернулось в диапазон 13.5-13.8 В. Батарея не греется, запаха кислоты нет.

Отдельный вопрос, которого нельзя избежать: стоит ли после такого ремонта оставлять батарею, которая уже побывала в режиме кипения? Если батарея кипела несколько дней или недель, её ёмкость с высокой вероятностью уже снижена. Проверка: батарея полностью заряжается, затем нагружается резистором 10-12 Ом и измеряется время, за которое напряжение упадёт до 10.5 В. Для 7 Ач батареи это время должно составлять около 45-50 минут. Результат значительно ниже говорит о том, что батарею нужно менять вместе с конденсатором, а не вместо него. Ошибка в этом порядке дорого обходилась многим до того, как они разобрались, в каком направлении смотреть.