S ä h k ö h ä i r i ö i l t ä   s u o j a u t u m i n e n

Esa Heikkinen

Kenties monellekin lukijalle on sattunut tilanteita, että kesken tärkeän tietokonetyön tulee sekunnin sähkökatko, joka juuri ja juuri riittää resetoimaan koneen. Mahdollisesti monenkin tunnin työ on hukassa. Tai ehkäpä menossa oli kiintolevyn defragmentointi, ja sähköjen katkeaminen kesken toimenpiteen johtikin siihen, että kiintolevy meni sekaisin, eikä sitä voi enää korjata millään korjausohjelmalla. Yhtä hyvin sama voisi sattua ahkeralle pelaajalle; kaikkien aikojen ennätys menossa flipperissä, peliä olisi vielä jäljellä, ja sitten kaikki yllättäen sammuukin... Tällaisia tilanteita ei osaa pelätä, ennen kuin sellainen sattuu omalle kohdalle. Niin kauan kuin tätä ei ole itselle sattunut, ei siitä viitsi piitata. Vasta sen keljun tunteen kokeminen, joka tulee sillä hetkellä kun hartaalla keskittymisellä tehty työ yllättäen katosi, samalla kun valotkin sammuivat koko talosta, saa vastaisuudessa olemaan varovaisempi. Vanha varma tapa on tallentaa työ mahdollisimman usein. Tässäkin on kuitenkin vaaransa: mitäpä jos sähköt katkeavat juuri tallennushetkellä? Levyllä ollut tiedosto ehdittiin korvata uudella, jonka sisältöä ei ehditty kirjoittaa loppuun. Tilanne on tällöin sama kuin jos tallentaisit vahingossa tekemäsi tiedoston päälle tyhjän tiedoston. Se on ottamaton paikka: mikään korjausohjelma ei osaa palauttaa sellaista tuhottua tiedostoa, jonka päälle on kirjoitettu samalla nimellä jotakin muuta. No - ainahan on varmuuskopiot, vai onko? Harva jaksaa tehdä niitä päivittäin, ja yleensä ilman kunnollisia välineitä (nauha-asema yms.) jää varmuuskopioiden tekeminen muutamaan kertaan vuodessa - näin myös allekirjoittaneella. Koneella on jatkuvasti jonkin verran sellaisia töitä, joista ei ole varmuuskopioita.

Yleisimmät sähköhäiriöt

Asuinpaikan ympäristö ratkaisee, millaisia sähköhäiriöitä verkossa voi olla. Yleisin ja kaikkialla ainakin silloin tällöin esiintyvä häiriö on sähkökatko (blackout). Sähkökatkon aikana sähkö katoaa pistorasioista kokonaan. Sähkökatkot voisi jaotella karkeasti kolmeen ryhmään. Lyhimmät, noin sekunnin tai alle kestävät ovat nk. pikajälleenkytkentöjä, jotka kuuluvat tavallaan normaaliin sähkönjakeluun. Jo tällainen katko voi resetoida tietokoneen. Seuraavana tulevat muutaman minuutin katkot, joiden yleisin aiheuttaja on ukkonen. Salaman iskiessä sopivaan kohtaan sähkönjakeluverkkoa aiheutuu oikosulku, ja sähkönjakelu lakkaa muutamaksi minuutiksi. Kolmannen ryhmän muodostavat pitkät sähkökatkot, vartista useisiin tunteihin. Nämä ovat poikkeuksetta jonkin suuremman äkillisen vian aiheuttamia, ja sellaista vikaa voi joutua etsimään pitkäänkin. Yleisin syy ainakin täällä päin on myrskyn voimalinjalle kaatama puu, joka aiheuttaa oikosulun. Yleensä tällaiset pitkät katkot alkavat siten, että sähkön katkettua tulee hetken kuluttua useita yrityksiä käynnistää sähköverkko, mutta oikosulun vuoksi sähkönjakelu lakkaa aina muutamassa sekunnissa. Tässä jonkin aikaa sitten oli yöllä reilun tunnin mittainen katko, joka johtui kaatuneesta puusta. Muistan hyvin, kun katkon alettua tuli näitä lyhyitä testejä, ja samanaikaisesti loisti ulkoa kirkas sinertävä loimu. Seuraavana päivänä kuulin, että puu oli kaatunut linjalle tässä ihan lähitienoolla, ja tuo todella kirkas valo loisti puun ja voimalinjan välille syntyneestä valokaaresta! Kuivana aikana tällaisesta voi aivan hyvin syttyä metsäpalo. Toinen sähköhäiriötyyppi, joka on ainakin täällä yleinen talvisin, on lyhytaikainen alijännite (brownout). Tämän näkee mm. valaistuksen hetkellisinä, yleensä alle sekunnin mittaisina "himmentyminä". Talvisin tietyllä kelillä kerääntyy voimalinjoihin lumikerros, joka aiheuttaa läpilyöntejä. Nämä läpilyönnit eivät kuitenkaan muodosta oikosulkua, vaan kuormittavat verkkoa juuri sen verran, että sähköverkon suojaukset eivät laukea, mutta ilmiö näkyy alijännitteenä sähkönjakelussa. Myös ukkosella salaman iskiessä voimalinjoihin tai niiden läheisyyteen näkyy se tällä tavoin sähköverkossa. Salamahan on tasavirtaa, joten se ei pääse läpi muuntajista, ja siksi se näkyy kotitalouksissa alijännitteenä eikä päinvastoin, kuten nopeasti voisi luulla. Täällä päin ukkosen saapumisen näkee sähköhäiriöinä jo kauan ennen kuin alkaa jyristä. Muutaman alijännitehäiriön jälkeen sähköt monesti katkeavat kokonaan, ja samalla alkaakin jo jyristä... Sähkökatkoja harvinaisempia sähkönjakelun häiriöitä ovat yli- tai alijännitteet. Tällaiset voivat johtua esimerkiksi siitä, että jokin todella suurikulutuksinen laite esimerkiksi teollisuudessa kytketään verkkoon, ja jännite tästä syystä laskee. Ylijännite voi taas syntyä, kun tällainen laite kytketään irti verkosta. Tällaiset ovat kuitenkin varsin harvinaisia, lähinnä suurien tehtaiden läheisyydessä tätä häiriötyyppiä saattaa esiintyä. Tästä on kuitenkin olemassa eräs merkittävä poikkeus, eli maaseudulla käytettävät ilmalinjat, jotka kuljettavat normaalia valovirtaa suoraan mökkeihin (ts. linjojen ja talouksien välissä ei ole muuntajaa). Tällaiset ilmalinjat toimivat eräänlaisina antenneina, ja ukkosella salaman iskiessä linjan läheisyyteenkin muodostuu niihin varsin voimakas jännitepiikki. Tällaiselta jännitepiikiltä ei voi käytännössä suojautua muuten kuin ottamalla töpselit irti ukkosen ajaksi. Neljännen häiriöryhmän muodostavat epäpuhtaudet kuten esimerkiksi harmoninen särö. Mm. hakkurivirtalähteet, loisteputket, tyristoriohjatut laitteet ja moottorit kuormittavat sähköverkkoa epätasaisesti, ja samalla ne ikään kuin lähettävät häiriöitä sähköverkkoon. Näistä ei yleensä ole harmia, mikäli laitteessa on kunnolliset verkkosuotimet, mutta kuitenkin toisinaan syntyy tilanne, jossa arka laite taikka suurempi laitekokonaisuus alkaa oirehtia esimerkiksi siten, että jonkin audiolaitteen kautta alkaa kuulua pesukoneen moottorin käydessä hiljaista pirinää.

Vaarat

Sähkökatkon aiheuttama vaara tietokoneille lienee kaikille selvä. Sen sijaan muut häiriötyypit voivat tapauksesta ja laitteista riippuen joko aiheuttaa tai olla aiheuttamatta häiriöitä. Lyhytaikaiset alijännitteet (brownout) aiheuttavat harvemmin häiriöitä tietokoneille. Nykyaikaiset tietokoneet ja monet muutkin laitteet käyttävät hakkurivirtalähteitä, jotka osaavat mukautua alijännitteisiin. Hakkurivirtalähde saattaa toimia aivan täydellisesti, vaikka jännite olisi vain 50% normaalista! Jotkut hakkurivirtalähteet on jopa suunniteltu "universaaleiksi" eli ne toimivat suoraan kaikilla käytössä olevilla verkkojännitteillä. Koska hakkurivirtalähteen on kuitenkin tuotettava kaikissa tilanteissa kuorman kuluttama teho, tietää jännitteen laskeminen virran kasvua. (Tehon laki: teho (P) on yhtä kuin jännite (U) kertaa virta (I). Tämän takia pitkäaikainen alijännite voikin ylikuormittaa sähköverkkoa, mikäli kuormana on runsaasti hakkurivirtalähteillä varustettuja laitteita. Virran noustua kylliksi sähköverkko pettää jostain paikkaa - yleensä sulake palaa. Äkkiä ajateltuna voi kuulostaa omituiselta, että alijännite voisi polttaa sulakkeen, mutta tällä tavalla se on mahdollista. Ylijännitteen aiheuttamat vaarat ovat helpommin ymmärrettäviä. Laitteiden komponentit (esimerkiksi virtalähteiden kondensaattorit) on mitoitettu tietylle jännitteelle, jota ei saa ylittää. Mikäli tämä arvo ylitetään, syntyy esimerkiksi kondensaattorin sisällä läpilyönti, joka johtaa tavallisimmin kondensaattorin räjähtämiseen. Virtalähteen tyypistä riippumatta se vaurioituu saadessaan liikaa jännitettä. Ylijännitteen suuruudesta riippuen vauriot syntyvät joko välittömästi tai ajan kanssa. Pitkäaikainen lievä ylijännite ei riko laitetta heti, mutta aiheuttaa ylikuumenemista ja sitä kautta ikääntymistä ja ennenaikaisen vikaantumisen. Ukkosen aiheuttamat lyhytaikaiset mutta voimakkaat ylijännitteet ovat vaarallisimpia - niiden kautta syttyy vuosittain useita tulipalojakin. Harmoniseen säröön perustuvat häiriöt ovat mutkikkaampia. Ne voivat oireilla esimerkiksi tietokonejärjestelmien selittämättöminä lukkiintumisina, lähiverkon toimimattomuutena, nopeuden laskuna tai muina lievempinä ilmiöinä, joita on mahdoton paikantaa mihinkään tiettyyn laitteeseen. Näiden syntyperä voi olla mielenkiintoinen selvitettävä, ja ne voivat esiintyä mm. maadoitushäiriönä (ground noise), yhteismuotoisena (common mode noise) tai yleismuotoisena häiriönä. Häiriön muoto ratkaisee, miten se esiintyy voimakkaimmillaan: maadoituksen ja sähkönsyötön välillä, sähkönsyötön napojen välillä vai esimerkiksi eri puolilla taloa sijaitsevien pistorasioiden maadoitusten välillä. Kunkin laitteen sisäiset kytkennät ratkaisevat, mille häiriötyypille ne ovat herkimpiä. Pahimmassa asemassa ovat laitteet, jotka liittyvät sähköverkon lisäksi johonkin toiseen verkkoon. Jommassa kummassa verkossa esiintyvä yhteismuotoinen häiriö kytkeytyy verkkoja yhdistävään laitteeseen, esimerkiksi lähiverkossa olevaan tietokoneeseen, modeemiin tai ISDN-päätteeseen. Helppona esimerkkinä yhteismuotoisesta (common mode) ylijännitepiikistä voidaan esittää tyypillinen ukkosen aiheuttama tietokonevika kaupunkiympäristössä. Talossa on maakaapelointi. Sähkönsyöttökaapelointi ja puhelinkaapelointi tulevat taloon eri pisteistä. Puhelinlinjaan on liitetty puhelin sekä tietokone, jossa on modeemi. Salama iskee talon lähellä olevaan puuhun (ei suoraan sähkö- eikä puhelinverkkoon). Modeemi ja tietokone rikkoutuvat (esimerkiksi eräässä tapauksessa modeemin linjaelektroniikka oli sulaneena äänikortin kyljessä), mutta puhelin säilyi ehjänä. Mikään sähköverkkoon kytketty laitekaan ei rikkoontunut. Mihin tämä perustuu? Vastaus: Salaman aiheuttama ylijännitepiikki näkyi yhteismuotoisena puhelinverkossa. Sitä ei havaita yksistään sähköverkon syöttönapojen väliltä eikä puhelinverkossa. Mutta jos tarkastellaan asiaa niin, että unohdetaan sähkö- ja puhelinverkon kytkentänapojen väliset potentiaalit ja ajatellaan tavallaan kumpaakin vain yhtenä "napana", esiintyi näiden välillä salaman iskemishetkellä jopa kymmenien kilovolttien jännitepiikki. Homma perustuu siihen, että kun salama iskee talon lähellä olevaan puuhun, muodostuu maahan sekä ympäröivään ilmaan jännitettä, jota voi esiintyä jopa satoja voltteja per metri. Kun puhelin- ja sähkökaapeloinnit kulkevat eri suuntiin talosta, muodostuu niiden välille jännitepiikki, vaikka esimerkiksi puhelinverkossa ei esiinny ylijännitettä. Jos modeemi olisi irrotettu puhelinverkosta, olisi se ja tietokone säilynyt ehjinä, vaikka niissä olisi ollut jopa virtakin päällä. Yhteismuotoiselta ylijännitepiikiltä suojautuminen on käytännössä todella vaikeaa, ja varminta onkin irrottaa ukkosen yllättäessä kaikki sellaiset laitteet, joista on yhteys kahteen eri verkkoon (modeemi, lähiverkko mikäli se menee toiseen rakennukseen, televisio yms.). Tämän lisäksi maaseudulla tulee muistaa, että ilmalinjat aiheuttavat myös yleismuotoisia häiriöitä, joissa ylijännitepiikki tulee suoraan rasiasta sellaisenaan. Maaseudulla onkin hyvä irrottaa kaikki laitteet sähkö- sekä puhelinverkosta ukkosella.

Ylijännitesuojat

Sekä sähkö- että puhelinverkkoihin on saatavana ylijännite- tai ukkossuojia (surge protector), jotka suojaavat laitteita yleismuotoisilta häiriöiltä. Ne suojaavat esimerkiksi sähköverkon ylijännitteeltä polttamalla sulakkeet tai tuhoutumalla itse. Jotkut suojat voivat kestää hyvin lyhytaikaisen, jopa tuhansien ampeerien virran oikosulkiessaan ylijännitepiikkiä. Yhteismuotoisiin häiriöihin nämä eivät tehoa, joten edellisen esimerkin kaltaisessa tapauksessa ne eivät tarjoa mitään suojaa. Joiltakin laitevalmistajilta on myös saatavilla jatkojohtoja ja haaroitinrasioita, joissa on ylijännitesuoja samassa.

Verkkosuodin

Yleensä kaikissa hyvin suunnitelluissa laitteissa ja varsinkin hakkurivirtalähteissä pakollisena on jonkinlainen verkkosuodin. Tämä on kondensaattoreista ja keloista rakennettu kytkentä, jonka tarkoitus on suodattaa verkkosähkössä mahdollisesti olevia harmonisia häiriöitä. Hakkurivirtalähteessä verkkosuotimella on suuri merkitys, sillä hakkurin ensiössä toimiva kytkintransistori katkoo muuntajalle/kelalle menevää virtaa muutaman kymmenen kilohertsin taajuudella ja synnyttää samalla erittäin voimakkaan häiriön. Tämä häiriö on suodatettava pois, jottei se pääsisi sähköverkkoon häiritsemään muita laitteita. Moni on saattanut havaita, että kytkettäessä verkkojohtoa kiinni tietokoneeseen, jonka virta ei ole päällä, saattaa kytkentähetkellä kuulua pieni napsaus tai näkyä pieni kipinä. Tämä on normaalia ja kertoo siitä, että verkkosuodin toimii. Kipinöinti johtuu verkkosuotimessa olevien kondensaattorien äkillisestä latautumisesta kytkentähetkellä. Hyvin yleisesti verkkosuotimessa on kytketty kondensaattorit myös suojamaahan kummastakin navasta. Näiden kondensaattorien on tarkoitus suodattaa yhteismuotoisia häiriöitä. Näiden kondensaattorien vuoksi ei tietokonetta saa koskaan kytkeä maadoittamattomaan pistorasiaan. Jos näin tehdään, jää suojamaa "kellumaan" ja siihen (ja samalla laitteen runkoon) muodostuu potentiaali, joka on puolet verkkojännitteen suuruudesta (115 Vac). Kytkettäessä muita laitteita koneeseen on vaarana, että jokin IO-portti tai kytkettävä laite vioittuu tuon jännitteen vuoksi. Lisäksi siitä saa epämukavia sähköiskuja. Liikuttamalla kevyesti sormea tällaisen laitteen pinnalla voi tuntea verkkotaajuista "värinää". Tämä on selvä merkki siitä, että laitteen maadoitus ei ole kunnossa.

Stabilisaattorit

Olemassa on myös verkkojännitestabilisaattoreita, jotka korjaavat pitkäaikaisia yli- tai alijännitteitä. Stabilisaattoriin kytketyt laitteet saavat aina vakiojännitettä. Stabilisaattorissa voi olla mukana myös verkkosuodin ja ylijännitesuoja. Stabilisaattorit eivät suojaa sähkökatkoilta. Suomessa nämä ovat todella harvinaisia, itse en ole nähnyt "livenä" tällaista koskaan.

UPS

Uninterruptible Power Source (UPS) tarjoaa yhdessä paketissa laajimman suojan erilaisia sähköhäiriöitä vastaan. UPSin tyyppi (ja käytännössä hinta) ratkaisee sen, miten laajamittaisen suojan laite tarjoaa. UPSeja on markkinoilla runsaasti erilaisia, halvimpia saa jo alle tuhannella markalla, kalleimmat maksavat kymmeniä tuhansia. Kaikki UPSit toimivat samalla pääperiaatteella, mutta teknisessä toteutuksessa on eroja. UPSin yleisimmin käsitetty päätehtävä on suojata sähkökatkoilta. Sähkönjakelun toimiessa normaalisti se lataa akkujaan, ja sähkökatkon sattuessa se tuottaa verkkosähkön korvaavaa vaihtosähköä siihen kytketyille laitteille. Laitteet pysyvät sähkökatkon yli käynnissä, mikäli UPSin akustossa vain riittää virtaa. UPS rakentuu vähintään kolmesta pääosasta: akkulaturi/tasasuuntaaja, akusto ja invertteri (vaihtosuuntaaja). Akkulaturi lataa akustoa silloin kun sähkönjakelu toimii normaalisti. Invertteri tekee akuston tasasähköstä verkkosähkön kaltaista vaihtosähköä. Näiden pääosien tekninen toteutus ja keskinäiset kytkennät ratkaisevat sen, miten hyvän suojan erilaisia sähköhäiriöitä vastaan UPS tuottaa, ja vaikuttavat samalla myös laitteen hintaan.

Aaltomuodot

Eräs UPSin hinnan kanssa rinnan kulkeva pääominaisuus on aaltomuoto, jota invertteri tuottaa. Sähköverkosta saatava jännite on sinimuotoista. Sinimuotoisen sähkön tuottaminen akkujen tasasähköstä on kuitenkin hyvin mutkikasta ja aiheuttaa tehohäviöitä. Siksi pienissä, yhdelle tai kahdelle tietokoneelle tarkoitetuissa UPSeissa käytetään yleisesti kanttiaaltoa tai porrasaaltoa. Hakkurivirtalähteille sähkön aaltomuodolla ei ole merkitystä, koska niissä sisääntuleva sähkö tasasuunnataan heti ensimmäisenä, joten ne toimivat vaikka kanttiaallolla. Puhdas kanttiaalto voi kuitenkin ylikuormittaa tasasuuntausdiodeita, jolloin on vaarana virtalähteen vikaantuminen. Siksi uudemmissa pikku-UPSeissa käytetäänkin porrasaaltoa. Se vastaa lähemmin aitoa siniaaltoa tehoarvoiltaan ja on siksi turvallisempi vaihtoehto kanttiaallolle, mutta silti helposti ja hyvällä hyötysuhteella tuotettavissa. Suuritehoiset UPSit tekevät poikkeuksetta puhdasta siniaaltoa. Niissä olevat suuret akustot takaavat sen, että virta riittää huonommasta hyötysuhteesta huolimatta. Sinimuotoinen jännite takaa yhteensopivuuden kaikentyyppisten kuormien kanssa, joten tällaiseen UPSiin voi huoletta liittää kaikentyyppisiä laitteita.

Online-UPS

Yksinkertaisin, mutta ei halvin, on perinteinen online-UPS. Vanhat ja suurikokoiset UPSit toimivat tällä periaatteella. Online-UPS saa nimensä siitä, että sen invertteri on jatkuvasti päällä. Perään kytketyt kuormat saavat jatkuvasti vain UPSin tuottamaa sähköä. Sisään tuleva verkkosähkö viedään suoraan suuritehoiselle DC-virtalähteelle, jolta saatavalla virralla ladataan samanaikaisesti akkuja ja syötetään invertteriä. Online-UPS tekee verkkosähkön kokonaan uusiksi. Online-UPS tarjoaa parhaimman suojan kaikenlaisia verkkohäiriöitä vastaan. Harmoniset häiriöt, yli- tai alijännitepiikit tai sähkökatko eivät aiheuta minkäänlaisia muutoksia ulostulevaan jännitteeseen niin kauan kuin akustossa riittää virtaa. Ylijännitesuojaus on ehdoton, pahimmissakin tapauksissa UPS suojaa kuormiaan, mutta voi rikkoutua itse. Online-UPS tarjoaa myös täydellisen suojan pitkäaikaisia ali- tai ylijännitteitä vastaan, sillä se antaa aina samaa jännitettä ulos. Siten se tarjoaa samalla myös stabilisaattorin tuomat ominaisuudet. Perinteisessä online-UPSissa on kuitenkin huonojakin puolia. Ensinnäkin tarvitaan kaksi hyvin suurikokoista ja painavaa muuntajaa, toinen DC-virtalähdettä ja toinen invertteriä varten. Nämä tekevät laitteesta helposti isokokoisen. Toiseksi, kun kaikki kuormien kuluttama teho kulkee tällaisen järjestelmän läpi, tulee UPSin hyötysuhde näkyviin. Perinteisen online-UPSin hyötysuhde voi olla esimerkiksi 60%, jolloin kuormien viemä teho kertaantuu yli 1,6-kertaiseksi. Laite nostaa sähkölaskua siinä määrin, että sillä voidaan katsoa olevan merkittävästi käyttökustannuksia. Hukkateho muuttuu tietenkin lämmöksi, joka voi olla ongelmallista. Kolmas huono puoli on kuormille näkyvän sähkönsyötön impedanssin, varsinkin sen reaktiivisen osan, kohoaminen verrattuna aitoon sähköverkkoon. Tämä näkyy käytännössä mm. siten, että monitorin yms. laitteen käynnistys, joka repäisee suuren hetkellisen virtapiikin, pudottaa UPSin ulostulojännitteen alas hetkellisesti. UPS ei kerta kaikkiaan jaksa syöttää virtaa tällaisessa tilanteessa, ja syntyy lyhyt sähkökatko - UPSin lähtö "notkuu". Tämä voi johtaa esimerkiksi tietokoneen resetoitumiseen. Silloin alkuperäinen käyttötarkoitus syö merkityksensä. Neljäntenä miinuksena voidaan laskea myös se, että vanhojen online-UPSien taajuustarkkuus on huono: niiden tuottama sähkö ei välttämättä ole 50 Hz:n taajuista. Tästä on harmia etenkin silloin, jos UPSin perässä on jokin ajastin tai kello: se ei pysy ajassa. Uudemmissa online-UPSeissa on kuitenkin ratkaistu monia perinteisen online-UPSin puutteita. Eräs varhaisimmista parannuksista on ns. ohituskytkentä, joka korjaa notkumisen. Hetkellisen ylikuormituksen sattuessa ottaa UPS virtaa suoraan verkosta, ja näin ollen notkahdusta kuormien syötössä ei pääse tapahtumaan. Taajuustarkkuus voidaan saavuttaa helposti käyttämällä mikroprosessoripohjaista toteutusta taikka kiteeseen tahdistettua invertteriä. Isot muuntajat voidaan korvata hakkuritekniikalla. Tämä tekniikka myös pienentää syötön impedanssia. Kuormien kannalta se näyttää yhä enemmän aidolta sähköverkolta. Tällä asialla on merkitystä lähinnä silloin, jos perässä on hankala sekakuorma, joka kuormittaa hyvin epätasaisesti (loistehoa tuottavat kuormat). Ei-toivottu reaktanssi johtaisi tällöin tehohäviöihin. Hakkuritekniikalla toteutetun online-UPSin hyötysuhde on hyvin korkea, tyypillisesti yli 90% - siksi se ei myöskään tuota lämpöä merkittävästi. Ainoa huono puoli hakkuritekniikalla toteutetussa online-UPSissa on sen korkeahko hinta, joka liikkuu kymmenen kilomarkan pahemmalla puolella.

Offline-UPS

Klassinen offline-UPS (standby UPS) on hieman mutkikkaampi kuin online, mutta halvempi toteuttaa. Siksi tätä periaatetta käytetäänkin pienissä UPSeissa. Nimensä mukaisesti tällä periaatteella toimiva UPS on normaalitilanteen vallitessa "nukkumassa". Se lataa akkujaan pienitehoisella akkulaturilla, ja invertteri on kytketty pois päältä. Verkkosähköä syötetään sellaisenaan laitteen läpi. Sähkökatkon sattuessa laitteessa oleva elektroniikka tunnistaa tilanteen ja kytkee nopeasti invertterin päälle ja perässä olevat laitteet releellä (transfer switch) sähköverkosta invertterin ulostuloon. Sähköjen palauduttua laite tahdistaa invertterin ulostulon sähköverkon taajuuteen ja vaiheeseen, minkä jälkeen se kytkee kuormat takaisin verkkosähkölle. Jänniterajat, joilla akkukäyttöön siirrytään, voivat olla käyttäjän aseteltavissa. Kytkentähetkillä aiheutuu luonnollisesti lyhyitä (alle 20 millisekuntia) katkoja. Näistä ei kuitenkaan aiheudu mitään haittaa tietokoneille, koska virtalähteiden kondensaattoreihin varautunut sähkö kykenee käyttämään konetta tuon ajan. Offline-UPSin huono puoli on sen heikommat suodatusominaisuudet. Koska verkkosähkö menee laitteesta läpi sellaisenaan, ei laite tarjoa vastaavaa suojaa kuormalle kuin online-UPS. Nykyaikaisessa offline-UPSissa on kuitenkin tehokas verkkosuodin, jonka avulla harmoniset häiriöt saadaan varsin hyvin kuriin. Lisäksi laitteessa voi olla ylijännitesuoja, joka estää hetkellisten piikkien pääsyn kuormaan, ja viimekädessä UPS rikkoontuu itse ennen kuin kuormalle tapahtuu mitään. Nykyaikainen offline-UPS tunnistaa myös ali- tai ylijännitteen ja kytkee kuormat akkukäytölle suojatakseen niitä. Mikäli häiriö on kuitenkin pitkäkestoinen, on vaarana akkujen tyhjentyminen. Offline-UPSin hyötysuhde on toimintaperiaatteen takia korkea. Normaalitilanteessahan laite ei lisää sähkönkulutusta muuta kuin sen verran, mitä sen pieni akkulaturi ja ohjauselektroniikka vaativat (muutama watti). Olemattomat käyttökustannukset yhdistettynä laitteiden pieneen kokoon (mahtuu jopa pöydälle) ja edullisuuteen ovatkin tehneet niistä suosittuja. Myös offline-UPS voidaan toteuttaa hakkuritekniikalla.

Line-interactive-UPS

Tämä periaate on yleistymässä uudemmissa UPSeissa. Toteutus muistuttaa hieman offline-UPSia, mutta eroaa silti varsin merkittävästi. Erikoisuus on, että invertteri on aina kytkettynä ulostuloon aivan kuin online-UPSissa, mutta normaalitilanteessa se ei ole käynnissä. Invertteri on rakennettu sellaiseksi, että se toimii normaalitilanteessa ikään kuin päinvastoin, akkuja ladaten. Kytkentärele on verkkojännitesyötössä eikä invertterin jälkeen, kuten offline-UPSissa. Normaalitilanteessa verkkosähkö menee sellaisenaan laitteen läpi. Sähkökatkon yllättäessä laitteessa oleva elektroniikka tunnistaa tilanteen, käynnistää invertterin ja samalla avaa kytkentäreleen, jottei invertterin ulostulo oikosulkeutuisi sähköverkkoon. Sähköjen palauduttua tahdistetaan invertterin ulostulo sähköverkon taajuuteen ja vaiheeseen, minkä jälkeen sähköverkko kytketään takaisin ulostuloon ja invertteri käännetään akkulaturiksi. Koska laturitarkoitukseen on käytettävissä sama suuritehoinen muuntaja kuin invertterissäkin, akut latautuvat nopeasti (verrattavissa online-UPSiin). Jänniterajat akkukäyttöön siirtymiselle voivat olla käyttäjän asetettavissa. Line-interactive-toteutus tarjoaa pienemmät kytkentäajat kuin offline. Esimerkiksi siirryttäessä takaisin sähköverkon syöttöön sähkökatkon loputtua ei lähdössä ilmene minkäänlaista kytkentäviiveitä. Nopeus perustuu mm. siihen, että invertterin suuritehoinen muuntaja on jatkuvasti "käynnissä", sähköverkon vaiheessa. Tällainen iso muuntaja on normaalisti raskas "käynnistettävä"; se imaisee jopa satojen ampeerien virtapiikin ensimmäisen magnetoinnin aikana - se on kuin iso vauhtipyörä. Ehkäpä osa lukijoista on pannut merkille jotakin isompaa laitetta käynnistäessään valaistuksen hetkellisen himmenemisen - tässä on kyse samasta asiasta. Koska line-interactive-UPSissa muuntaja on jo valmiiksi käynnissä, ei tätä virtapiikkiä tule, ja invertteri on käynnissä viimeistään 5 millisekunnin kuluttua katkon alkamisesta. Lisäksi line-interactive-UPS tarjoaa stabilisaattorin. Se kykenee korjaamaan vähintään alijännitteet nostamalla ulostulon jännitteen sopivaksi, kuitenkaan kuluttamatta akkuja. Jotkut mallit kykenevät korjaamaan myös ylijännitteitä tiettyyn rajaan asti, tämäkin ilman akkujen kuluttamista. Invertterin ison muuntajan jatkuva kytkentä ulostuloon parantaa myös suodatusta. Koska verkkosähkö menee suoraan laitteesta läpi, on suodatuksella tässäkin keskeinen merkitys, aivan kuten offline-UPSissa. Ylijännitesuojaus on vastaava kuin offline-UPSissa, joskin invertterin mukanaolo lisää sen tehokkutta. Line-interactive-UPSin hyötysuhde on offlinen tapaan hyvin korkea. Se kuluttaa sähköä lähinnä vain silloin, kun akusto on tyhjillään katkon jäljiltä ja sitä ladataan takaisin toimintavalmiuteen. Normaalitilanteessa sähkönkulutus on pienehköä (muutama kymmenen wattia), joskin enemmän kuin offline-UPSissa. Line-interactive-UPS voidaan sekin toteuttaa hakkuritekniikalla.

Lisätoiminnot

Uudenaikaisissa UPSeissa on runsaasti lisätoimintoja. Eräs hyödyllisimmistä on tietokoneliitäntä. Liitäntöjä on erityyppisiä, sellaisia joissa saadaan vain yksinkertainen reletieto sähkökatkosta, akkujen tilasta yms. asioista, sekä "älykkäitä", RS-232-pohjaisia liitäntöjä. Näiden kautta voidaan sopivalla sovellusohjelmalla kommunikoida UPSin sisäisen tietokoneen kanssa. Tietokoneliitännän avulla on mahdollista rakentaa esimerkiksi järjestelmä, joka alasajaa sovellukset automaattisesti sähkökatkon jatkuttua niin kauan että akustot alkavat tyhjentyä. Verkkoympäristössä tällainen toiminto on hyvin tärkeä. Jotkut UPSit kykenevät raportoimaan hyvin monenlaisia asioita tilastaan: esimerkiksi sisääntulevan jännitteen, uloslähtevän jännitteen, akuston jännitteen ja varaustilan, kuormitustason prosentteina, arvioidun jäljellä olevan varakäyntiajan - jopa ilman lämpötilan sekä kosteuden voi saada ulos joistakin malleista. Sopivilla sovellusohjelmilla näitä tietoja voi tilastoida ja kirjata ylös mahdolliset sähköhäiriöt sekunnin tarkkuudella. Myös UPSin asetuksia (mm. jänniterajat) voi muutella tietokoneliitännän kautta. Joissakin malleissa on myös etupaneelissa merkkivaloja tai LCD- näyttö, josta näkee ainakin kuormitustason. Älykkäät mallit pitävät myös huolta akuistaan, ne voivat mm. suorittaa akustolle testin vaikkapa kerran viikossa ja ilmoittaa käyttäjälle, mikäli akusto vaatii uusimisen.

Mitoitus

UPSin teho ratkaisee sen, kuinka paljon ja minkätehoisia laitteita siihen voi kytkeä. Maksimitehoa ei saa ylittää, muutoin on vaarana, että UPSin sisäiset suojapiirit katkaisevat virran. Offline-UPSin tapauksessa ylikuorma ei välttämättä ilmene kuin vasta sähkökatkon sattuessa, UPSin invertterin ollessa käynnissä. Tästä voi syntyä virheellinen johtopäätös, että UPSiin voi kytkeä laitteita vaikka kuinka, eikä sähkö katkea. Kuormitustaso ratkaisee myös maksimissaan saavutettavan varakäyntiajan. Maksimikuormalla UPSit antavat tyypillisesti noin 5 minuuttia varakäyntiaikaa, tämän jälkeen akut ovat tyhjinä ja virta katkeaa. Kuormitustason pienentyessä kasvaa varakäyntiaika kuitenkin epälineaarisesti, esimerkiksi 50% kuormituksella saa tyypillisesti jo yli 20 minuutin varakäyntiajan. Mikäli mielii pitkiä varakäyntiaikoja, kannattaa hankkia reilusti ylimitoitettu UPS, jos vain rahavarat sallivat. Tehokkaita malleja kannattaa etsiä myös käytettynä, uutena ne saattavat olla turhan kalliita kotikäyttöön. Tästä 2000 VA tehoisesta UPSista riittää varavoimaa koko talouden elektroniikkalaitteille. Siihen on kytketty mm. kolme tietokonetta monitoreineen, räkillinen erikoislaitteita ja kotiteatterijärjestelmä; AV-vahvistin, 2 videonauhuria, TV, satelliittilaitteisto yms., kaiken kaikkiaan noin 30 laitetta. Kuormitus kaikkien laitteiden päälläollessa on noin 800 W, UPSin maksimiantoteho on 1400 W. Varakäyntiaikaa maksimikuormalla saa yli puoli tuntia, normaalikuormalla useita tunteja! UPSissa on 48 V akusto, jota voi laajentaa. Painoa on 56 kg, ja käytettynä tällainen irtoaa muutamalla tonnilla. Sähkölaitokselta saa lainaan mittareita, joilla voi mitata laitteiden tehonkulutuksen watteina. Rakentamalla erilaisia kokonaisuuksia, joita on ajatellut kytkeä UPSiin, voi merkitä muutamia lukemia muistiin eri kuormitustilanteissa. Näistä muistiinpanoista on myöhemminkin hyötyä arvioitaessa hankitun UPSin varakäyntiaikaa eri kuormitustilanteissa. UPSien tehot ilmoitetaan yleensä volttiampeereina (VA), joka on vaihtosähkön näennäistehon yksikkö. Kuormittavien laitteiden tehot ilmoitetaan taasen watteina (W). Tämä asia saa monen ymmälleen siitä, minkätehoinen UPS pitäisi valita tietynlaiselle kuormalle. Eräs, mutta virheellinen käsitys on olettaa, että volttiampeeri on yhtä kuin watti. Watti tarkoittaa kuorman pätötehoa. Mutta tämän tehon lisäksi kuorman impedanssin reaktiivinen osuus aiheuttaa nk. loistehoa, joka liikkuu kytkennässä "edestakaisin". Käytännössä kaikki laitteet lukuunottamatta puhtaasti resistiivisiä kuormia (lämpövastus, sähkölamppu ym.) aiheuttavat jossain määrin loistehoa. Loistehon ja pätötehon suhdetta kutsutaan tehosuhteeksi ja sen arvo on 0:n ja 1:n välillä. Käytännössä pätöteho ja loisteho voitaisiin mitata sopivalla tehomittarilla ja laskea tehosuhde, mutta tämä ei ole välttämätöntä UPSia mitoitettaessa. Elektroniikkalaitteiden tyypillinen tehosuhde on 0,6:n, 0,7:n luokkaa, joten aivan hyvin voi käyttää oletuksena esimerkiksi arvoa 0,7 - tämän mukaan myös monet UPS-valmistajat ilmoittavat UPSiensa tehon watteina. UPSin teho watteina saadaan, kun kerrotaan VA-lukema tehosuhteella. Näin ollen esimerkiksi 600 VA tehoinen UPS jaksaa syötää noin 400 watin verran kuormia.

Mitä kytkeä UPSiin?

UPSiin ei kannata kytkeä kaikkea mahdollista. Jo käyttöohjeissa kielletään liittämästä kotitalouskoneita, esimerkiksi pölynimuria, keittiökoneita tai lämmittimiä kuten hiustenkuivaajaa. Mikäli haluaa liittää työvalaistuksen UPSiin, on lamppujen oltava mieluiten hehkulamppuja, koska loistelamput tuottavat helposti häiriöitä. Ainakaan tehokkaita moottoreita sisältäviä laitteita ei saa kytkeä. Pääperiaate on, että mitään sellaisia laitteita, joiden aiheuttamilta harmonisilta häiriöiltä verkkosähkö on UPSilla puhdistettu, ei kannata kytkeä UPSiin, ellei sitten kyseisen laitteen ole aivan välttämätöntä toimia sähkökatkon aikana. Lasertulostimet ovat eräs laiteryhnä, joita ei tulisi kytkeä UPSiin. Lasertulostimessa oleva kiinnitin lämmitetään yleensä useiden satojen wattien tehoisella lämpölampulla, ja tämä kuormittaa UPSia melkoisesti. Tehokkaampi UPS jaksaa kyllä syöttää virtaa, mutta akkuja kuluu ja varakäyntiaika lyhenee tarpeettomasti. Tulostusta voi jatkaa sähkökatkon jälkeenkin. Jokin aika sitten joku tuttu kummasteli, kun hänen vastikään hankkimansa UPS ei toiminut kunnolla, vaan sähköt katkesivat kaikesta huolimatta heti. Syyksi paljastui UPSiin kytketty lasertulostin, joka ylikuormitti UPSin lähdön ja virta katkesi. Joissakin UPSeissa on lasertulostinta varten oma lähtöliitäntä. Tämä liitäntä sisältää ainoastaan suodatettua ja ylijännitesuojattua verkkosähköä, joka kuitenkin katkeaa sähkökatkon sattuessa.

Varautuminen sähkökatkoihin

Kun UPS on sitten hankittu, kannattaa harjoitella tositilannetta varten. Eräs hyvä testi, joka jokaisen UPSin omistajan tulisi tehdä ennen tositilannetta on se, pystyykö esimerkiksi monitorin kytkemään päälle sähkökatkon aikana. Monitorihan imaisee käynnistyshetkellä demagnetointia varten melkolailla suuren virtapiikin. Aivan pienitehoisimmat UPSit eivät selviä tästä, vaan niiden ulostulo notkahtaa niin pahasti, että tietokone voi resetoitua. Siksi kannattaa testata, onko monitorin käynnistäminen mahdollista. Monesti tositilanteessa monitori ei välttämättä ole päällä sähkökatkon alkaessa, vaikka kone olisikin. Näin varsinkin, jos konetta pidetään ympärivuorokautisesti kytkettynä. Pidemmän sähkökatkon sattuessa on kuvan näkemisestä kuitenkin verraton apu konetta alasajettaessa... Testi on helppo tehdä. Monitori laitetaan pois päältä pääkytkimestä ja annetaan sen olla vartista puoleen tuntiin, niin että demagnetointikelan kanssa sarjassa oleva PTC-vastus ehtii jäähtyä (muutoin demagnetointia ei tapahdu). Tämän jälkeen tehdään sähkökatkosimulaatio vaikkapa irroittamalla UPSin verkkosähkön syöttö pistorasiasta. Anna akun purkautua muutama minuutti (sen aikaa, kun normaalistikin odottelisit sähköjen palautumista ennen alasajoa), ja sitten vain monitori päälle. Ainakin UPSista kuuluu yleensä tässä vaiheessa mielenkiintoisia ääniä, kun se saa hieman kuormitusta. Mutta kestikö virta päällä tai resetoituiko tietokone? Suuritehoiset UPSit kestävät kyllä tällaisia käynnistyksiä mukisematta, joten mikäli perässä on laajempi laitteisto useine monitoreineen ja on tyypillistä, ettei monitoreja pidetä jatkuvasti päällä, on reilu ylimitoitus suotavaa. Valitettavasti se vain tekee melkoisen loven kukkaroon.

[ Sekalaiset ] [ Sivukartta ]