Простой и мощный импульсный блок питания для питания радиоэлектронной аппаратуры

2.6. Основные неисправности, методы их поиска и устранения

В этом разделе читателю предлагается анализ возможных неисправностей импульсных источников питания ATX конструктива на примере схемы, приведенной на рис. 2.2. Источник питания является преобразователем сетевого первичного напряжения, поэтому работа с ним требует особой подготовки и аккуратности. Перед проведением самостоятельных работ с прибором подобного типа следует ознакомиться с содержанием предыдущего раздела «Проведение работ с блоками питания конструктива ATX». Это позволит подготовить рабочее место для проведения ремонта, избежать ошибок и предотвратить возможную порчу измерительных приборов.

Если произошел отказ источника питания, прежде всего неисправный прибор следует подвергнуть тщательному визуальному осмотру. На этом этапе можно выявить наличие поврежденных элементов и предварительно локализовать место неисправности. Замену элементов, особенно в силовых цепях, следует производить на оригинальные, используемые в данном приборе. Если такой возможности нет, и требуется отыскать аналог, то подбирать его следует очень внимательно с учетом требований конструкции, надежности и безопасности.

Описание поиска возможных неисправностей составлено в предположении, что внешне элементы тестируемого источника питания выглядят нормально, без очевидных дефектов и повреждений. Печатный монтаж не поврежден или предварительные работы по его восстановлению уже проведены. Проверка источника проводится без нагрузки вторичных цепей, если иное не указано, на отдельном стенде. Перечень необходимого оборудования приведен в разделе 2.5. Вход сигнала PS-ON должен быть замкнут перемычкой на общий провод вторичной цепи. Все операции по монтажу и демонтажу, а также установке и удалению временных соединений производятся только на полностью обесточенном приборе.

После включения блока питания выходные вторичные напряжения отсутствуют. Сгорел предохранитель.

Возможная причина: во время эксплуатации было произведено ощибочное подключение блока питания к сети с напряжением 220 В, в то время как переключатель выбора напряжения был установлен в положение 115 В.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Последовательно проверить целостность индуктивных элементов сетевого фильтра, выпрямительные диоды D11 – D14, конденсаторы C5 и C6, силовые транзисторы Q9 и Q10, диоды рекуперации D23 и D24.

2. Провести проверку активных компонентов узла автогенератора на транзисторе Q3.

3. Оценку работоспособности элементов произвести только после их демонтажа из печатной платы блока питания. Наиболее вероятен выход из строя активных силовых элементов схемы и конденсаторов C5 и C6.

4. После замены неисправных элементов проверку работоспособности каскадов проведите последовательно по методике, приведенной в разделе 2.5. Сначала выполните проверку функционирования ШИМ преобразователя и силового каскада на Q9 и Q10, согласно положениям подраздела 2.5.2. Затем к тестируемому блоку питания подключите трансформатор сетевой развязки согласно рис. 2.21. Убедитесь в работоспособности узла на Q3, сравнивая данные результатов своих измерений с осциллограммами, приведенными на рис. 2.4.

5. Без нагрузки по вторичным каналам проверьте работу силового каскада. В базовой цепи Q9 проведите контроль прохождения импульсного сигнала через пассивные элементы C21, R36, R40. Измерения проводите относительно эмиттера Q9. Аналогично проверьте базовую цепь Q10, подключая общий вывод осциллографа к его эмиттерной цепи. Проверьте наличие трехуровневого импульсного сигнала на коллекторе Q10, измеряя его относительно эмиттера Q10. Размах сигнала должен практически совпадать с уровнем напряжения питания силового каскада. Вид полученных осциллограмм напряжений сравните с приведенными на рис. 2.12, 2.13, снятыми в соответствующих точках.

Возможная причина: произошел пробой изоляции силовых транзисторов, установленных на общем радиаторе.

1. Не производя демонтаж, проверить сопротивление между металлическими частями корпусов транзисторов Q9 и Q10, на которые выведены выводы коллекторов, и радиатором, на котором они закреплены. Если обнаружено, что сопротивление между ними составляет несколько килоом или менее, это служит признаком того, что изолирующая прокладка повреждена. Нужно выпаять транзисторы и проверить целостность прокладок и исправность транзисторов.

2. Неисправные транзисторы и пробитые прокладки заменить. Крепление новых транзисторов произвести через новые прокладки. После механической установки проверить сопротивление между корпусами Q9, Q10 и радиатором.

3. Проверить исправность диодного моста на D11 – D14 и резистивные элементы базовых цепей силовых транзисторов. При пробое транзисторов или прокладок они также могут быть повреждены.

4. После замены всех неисправных элементов, включая предохранитель, проверку силовой части преобразователя провести в два этапа. На первом этапе использовать методику подраздела 2.5.2, на втором – подраздела 2.5.3.

Возможная причина: отказ элементов в автогенераторном каскаде на Q3.

1. Проверить омметром исправность транзистора Q3. Если произошел отказ, следует произвести замену.

2. Дополнительно осмотреть трансформатор Т8. Провода трансформатора не должны быть повреждены, на изоляции обмоток не должны просматриваться следы термических повреждений. Если эти следы наблюдаются, то существует большая вероятность разрушения эмали провода обмотки, что приведет к межвитковым замыканиям и снижению индуктивности первичной обмотки T8. Трансформатор следует заменить.

3. После замены элементов проверку функционирования каскада выполнять по методике подраздела 2.5.3. Вид осциллограмм напряжений на элементах этого каскада должен соответствовать осциллограммам, изображенным на рис. 2.4.

Сразу после включения источника питания происходит срабатывание защиты.

Возможная причина: не подается сигнал обратной связи на микросхему IC1.

1. Из-за повреждения проводника печатной платы, соединяющего точку объединения резисторов R47, R46 и вывод IC1/1, или неисправности самих резисторов сигнал обратной связи нагрузки основных вторичных каналов не подается на микросхему ШИМ преобразователя. Отсутствие этого сигнала IC1 в начальный момент воспринимает как повышение потребления по вторичным каналам положительных напряжений. Происходит увеличение длительности импульсов возбуждения силового каскада на транзисторах Q9 и Q10. Напряжение на конденсаторе C19 возрастает и открывается транзистор Q6. Далее развивается процесс включения блокировки ШИМ преобразователя по входу IC1/4 через транзистор Q1.

2. Проверку работы ШИМ преобразователя провести с использованием методики описанной в подразделе 2.5.1. После включения стабилизированного внешнего источника 2 по рис. 2.22 проследить подачу сигнала обратной связи от выходного контакта канала +5 В через резистор R47 на вывод IC1/1. При уровне выходного напряжения внешнего источника 2, соответствующем +5 В, напряжение на выводе IC1/1 должно составлять 2,2–2,3 В.

Возможная причина: нарушены электрические связи между пассивными элементами, установленными в базовой цепи транзистора Q4.

1. Провести электрическую проверку исправности элементов и проводников их соединяющих, подключенных к базовой цепи транзистора Q4.

2. Наиболее вероятная причина срабатывания защиты по этому каналу – нарушение связей между резистором R9 и анодом диода D4. В этом случае напряжение от вторичного канала +5 В не компенсируется отрицательными напряжениями. Транзистор Q4 открывается положительным напряжением, поступающим на его базу. Далее, в проводящее состояние переходит Q1 и подключает вывод IC1/4 к положительному напряжению вывода IC1/14. ШИМ преобразователь блокируется.

Возможная причина: срабатывание защиты вызвано неисправностью стабилитронов ZD1 или ZD3.

1. Проверить исправность стабилитронов ZD1 и ZD3. Если хоть один из них неисправен и его внутренняя структура образует лишь сопротивление малой величины, то положительное напряжение вторичного канала через него будет поступать на базу Q4. Последовательное переключение транзисторов Q4 и Q1 приведет к срабатыванию защиты и блокировке микросхемы IC1.

Не вырабатывается напряжение питания для элементов дежурного режима +5VSB. Вторичные напряжения поступают независимо от наличия перемычки, соединяющей вход PS-ON с общим проводом.

Возможная причина: нарушена работоспособность элементов вторичной цепи автогенераторного каскада.

1. Если ШИМ преобразователь запускается без подключения вывода PS-ON к общему проводу, то это указывает на то, что при подключении блока к питающей сети не формируется напряжение +5 VSB, подаваемое на этот сигнальный вход через резистор R22.

2. Подключить импульсный блок питания к первичной сети. Произвести проверку формирования напряжения на вторичной обмотке автогенераторного каскада. Измерения производить относительно общего провода вторичной цепи.

3. Последовательно проверить наличие импульсного напряжения на аноде D8, входе микросхемы IC3 и ее выходе. Если на холостом ходу напряжение во всех точках в норме, подключить к выходу канала резистор 10 Ом мощностью не менее 2 Вт и проверить нагрузочную способность микросхемы IC3.

4. Если обнаружено, что микросхема IC3 неисправна, то ее необходимо заменить. Затем повторно проверить правильность формирования напряжения питания для элементов дежурного режима.

При включении питания блок питания не вырабатывает вторичные напряжения. Автогенератор работает нормально.

Возможная причина: отказ микросхемы IC1 или элементов в промежуточном усилителе на транзисторах Q7 и Q8.

1. Нормальная работа автогенераторного каскада указывает на то, что в первичной цепи импульсного преобразователя нет повреждений. Выход из строя силовых транзисторов вызвал бы перегорание предохранителя. Неисправность связана с работой IC1, элементов подключенных к ней или промежуточного усилителя на Q7 и Q8.

2. Поиск неисправного элемента можно производить, подключив блок питания к первичной сети. Предварительно к выходному контакту канала +5 В следует подсоединить внешний источник стабилизированного напряжения с таким же выходным уровнем. Для выключения защиты временно отключить резистор R8, отпаяв один из его выводов.

3. Подключить питание первичной сети и внешнего источника. Проверить появление положительного напряжения на выводе IC1/14. Напряжение на выводе IC1/4 должно иметь уровень, близкий к потенциалу общего провода.

4. На нормальное функционирование микросхемы ШИМ преобразователя указывают следующие признаки:

– наличие пилообразного напряжения на выводе IC1/5 с амплитудой 3 В;

– появление на выводе IC1/14 напряжения +5 В;

– при подаче на микросхему напряжения питания от 7 до 40 В от выпрямителя на диоде D9 на выходах IC1/8, 11 появляются импульсные последовательности. Отсутствие хотя бы одного из перечисленных признаков свидетельствует об отказе внутренних узлов IC1. Если выходные последовательности на выходах микросхемы сформированы, то следует проверить правильность функционирования каскада на транзисторах Q7 и Q8. Пользуясь описанием этого каскада, приведенным в разделе 2.4 и иллюстрациями его работы, необходимо проверить режимы работы элементов и коммутацию транзисторов в соответствии с импульсными сигналами, поступающими на их базы с выводов IC1.

Возможная причина: ложные срабатывания защиты из-за повреждения транзисторов в системе блокировки микросхемы IC1.

1. Немотивированная блокировка работы микросхемы IC1 может быть вызвана неисправностью хотя бы одного из транзисторов Q1, Q2, Q4 – Q6.

2. Для выявления неисправного элемента следует включить блок питания в обычном режиме. Определить через какой транзистор из пары Q1 или Q5 на вывод IC1/4 поступает напряжение +5 В. Затем, отключив блок питания от сети, проверить омметром исправность транзистора, который во время проверки находился в проводящем состоянии, и транзисторов, подключенных к его базовой цепи.

Возможная причина: отказ пассивных элементов в базовых цепях Q9 и Q10.

1. Произвести подключение внешних источников питания в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.22, и рекомендациями по конфигурации, изложенными в подразделе 2.5.2. Если внешний источник стабилизированного напряжения не указывает на перегрузку по току, это является признаком того, что транзисторы Q9, Q10 не повреждены.

2. Проверить формирование импульсных последовательностей транзисторами Q7 и Q8. Если осциллограммы импульсов на коллекторах транзисторов промежуточного усилителя соответствуют изображению на рис. 2.10, проконтролировать поступление этих импульсов со вторичных обмоток трансформатора T2 в базовые цепи транзисторов Q9 и Q10.

3. Используя материал описания работы силового каскада и рис. 2.12, 2.13, проверить правильность прохождения импульсного сигнала через базовые цепи силовых транзисторов и формирование с их помощью трехуровнего сигнала на коллекторе Q10. Если в базовой цепи присутствуют неисправные элементы, то вид осциллограмм импульсных напряжений в базовой цепи и на коллекторе Q10 будет отличаться от приведенных на рис. 2.12, 2.13.

Компьютер с данным блоком питания не работает. Уровни вторичных напряжений в норме.

Возможная причина: не вырабатывается сигнал «питание в норме» (POWERGOOD).

1. Вероятно, на микросхему IC2 не поступает какое-либо из подаваемых напряжений или она неисправна.

2. Подключить блок питания к сети стандартным образом. Проверить поступление напряжений через резистор R43 от входа сигнала PS-ON на вывод IC2/6, с вывода IC1/2 на контакты IC2/2, 5, исправность резисторов R33 и R42. Рабочий уровень входного сигнала PS-ON низкий. Если все элементы в норме и напряжение поступает на соответствующие выводы, на контакте IC2/7 должно быть напряжение примерно +5 В. Такое же напряжение устанавливается на IC2/1.

3. Если этого не происходит, микросхема IC2 неисправна и требует замены.

Плохая стабилизация вторичного напряжения +3,3 В.

Возможная причина: нарушение работы стабилизатора на ZIC1 и Q11.

1. Непосредственная стабилизация вторичного напряжения +3,3 В производится каскадом на транзисторе Q11 и маломощном стабилизаторе ZIC1. Вторичное напряжение на этот стабилизатор подается от тех же обмоток, что и на канал +5 В. Между выводом 4 вторичной обмотки трансформатора T3 и анодом одного из выпрямительных диодов сборки SBD3 включен сглаживающий дроссель L6. Благодаря этому дросселю, импульсы на аноде указанного диода имеют меньшую амплитуду, чем непосредственно на выводе 4 вторичной обмотки. На катодах диодов SBD3 напряжение несколько ниже, чем в аналогичной точке канала +5 В, но без введения дополнительной регулировки будет превосходить номинал, установленный в +3,3 В. Выходной уровень канала +3,3 В регулируется частичным разрядом положительной обкладки конденсатора C34 через транзистор Q11 при подключении ее к источнику отрицательного напряжения, образованного выпрямительным диодом D31 и конденсатором С28.

2. Для проверки работы стабилизатора следует установить различные нагрузки по каналам +5 и +3,3 В. Для этого надо подключить к выходу канала +5 В резистивную нагрузку с номиналом «1,5 Ом и общей мощностью 20 Вт. К выходу канала +3,3 В присоединить резистивную нагрузку 3 Ом мощностью 4 Вт. В таком режиме разбаланса нагрузок энергии по каналу +5 В поступает больше, чем по цепи +3,3 В. При нормальной работе стабилизатора напряжение в точке соединения ZIC1 и резистора R54 поддерживается постоянным на уровне «2,72,8 В. Напряжение же на эмиттере транзистора Q11 изменяется в некоторых пределах. При повышении выходного напряжения канала +3,3 В транзистор Q11 открывается. Происходит замыкание положительной обкладки конденсатора C34 через резистор R55 и открытый транзистор Q11 на конденсатор C28, напряжение на правой по схеме обкладке которого имеет отрицательный уровень.

3. Следует проконтролировать работу этого каскада и проверить уровень напряжения на выходе ZIC1. Если реальная логика работы стабилизатора отличается от описанной или уровень напряжения на ZIC1 превышает указанное значение, требуется замена Q11 или маломощного стабилизатора.

При коротком замыкании по основным каналам вторичного напряжения не происходит блокировки ШИМ преобразователя.

Возможная причина: неисправность транзистора Q4 или элементов в его базовой цепи.

1. Режим длительной блокировки работы микросхемы IC1 устанавливается либо при отсутствии низкого уровня сигнала PS-ON, либо при срабатывании пары транзисторов Q4 и Q1. В первом случае микросхема блокируется только в течение периода, когда транзистор Q2 находится в состоянии насыщения. Работа ШИМ преобразователя возобновляется, когда транзистор Q2 установлен в состояние отсечки. Во втором случае блокирующее напряжение через открытый транзистор Q1 подается на вывод IC1/4. Проводящее состояние транзистора Q1 поддерживается открытым транзистором Q4, подключенным к базовой цепи Q1. Включение транзистора Q4 может происходить от сигналов, поданных в его базовую цепь через диоды D4 и D5. После переключения Q1 к базовой цепи Q4 подключается положительное напряжение, поступающее через Q1, D3, R11. Это напряжение удерживает как Q4, так и Q1 в проводящем состоянии. Если транзистор Q4 неисправен, то защита не будет блокировать работу IC1 при КЗ по отрицательным каналам вторичных напряжений. При возникновении КЗ по каналу +5 В блокировка будет возникать только в течение промежутка времени, когда КЗ действует. Источник питания будет возобновлять свою работу автоматически после устранения КЗ.

2. Чтобы выяснить причину кратковременной блокировки блока питания его необходимо подключить к сети и искусственно создать КЗ по каналу -5 В. Проследить подачу положительного напряжения через D4 на базу Q4. Если открывающее положительное напряжение на базу транзистора поступает, а он не переходит в проводящее состояние, то Q4 неисправен и требуется его замена.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Приложение 1. Некоторые классические методы спонтанного поиска новых инженерно-технических решений
Вниманию заинтересованного читателя предлагаем избранные фрагменты «Обзора методов создания новых технических решений», конспекта отечественных и зарубежных методик,

МЕТОДЫ АКТИВИЗАЦИИ ПОИСКА

МЕТОДЫ АКТИВИЗАЦИИ ПОИСКА
Чем труднее изобретательская задача, тем больше вариантов приходится перебрать, чтобы найти решение. А раз так, то прежде всего надо повысить количество вариантов, выдвигаемых в единицу времени. Понятно также, что для обнаружения сильного

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УСТРАНЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УСТРАНЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ
В АРИЗ используются четыре механизма устранения технических противоречий:1) переход от данной в модели задачи технической системы к идеальной системе путем формулирования идеального конечного результата (ИКР); 2) переход от ТП

Дефекты мебели и способы их устранения

Дефекты мебели и способы их устранения
Причины возникновения дефектов мебели можно условно разделить на несколько групп.Основными причинами дефектов, возникающих от нарушения правил эксплуатации мебели, являются: хранение в сыром помещении; повышенная температура и

Глава 14 Методы поиска и устранения сбоев и неполадок

Глава 14 Методы поиска и устранения сбоев и неполадок
Пытаясь самостоятельно отремонтировать компьютер, в первую очередь необходимо решить для себя, насколько глубоко вы готовы вникнуть в данную проблему. Если ваш компьютер находится на гарантии, скорее всего, следует

Основные неисправности, методы их поиска и устранения

3.6. Основные неисправности, методы их поиска и устранения
Проведение ремонтных работ любого электронного устройства в большинстве случаев имеет комплексный характер. Поиск неисправности, ее локализация и устранение проводятся, как правило, с помощью

Основные неисправности и их устранение

5.2. Основные неисправности и их устранение

Приложение 9. Основные неисправности спасательного пояса, карабина спасательного пояса, спасательной веревки, при которых применение их запрещено

Приложение 9. Основные неисправности спасательного пояса, карабина спасательного пояса, спасательной веревки, при которых применение их запрещено
Основные неисправности спасательного пояса, карабина спасательного пояса, спасательной веревки, при которых применение их

Основные неисправности тормозов

Основные неисправности тормозов
К основным неисправностям тормозов относят:– недостаточное и неодновременное торможение колес;– заедание тормозов;– нарушение герметичности;– плохое растормаживание или заклинивание тормозных механизмов;Неэффективное действие

Основные неисправности газораспределительного механизма

Основные неисправности газораспределительного механизма
К основным неисправностям относятся:1. неплотное прилегание клапанов к седлам.2. износ деталей привода клапанов.Признаки неплотного прилегания впускного клапана – хлопки во впускном трубопроводе, уменьшение

Логические схемы быстрого поиска и устранения неисправностей

Логические схемы быстрого поиска и устранения неисправностей
Ниже представлены логические схемы быстрого поиска и устранения неисправностей, выхода из неожиданных ситуаций, возможных при эксплуатации автомобиля.Условные

Основные неисправности системы охлаждения

Основные неисправности системы охлаждения
Признаки неисправности: переохлаждение или перегрев двигателя.Для работоспособного состояния необходимы оптимальная температура охлаждающей жидкости, хорошая теплопроводность стенок водяных рубашек и трубок радиатора.При

Основные неисправности системы смазки

Основные неисправности системы смазки
Появление неисправностей приводит к увеличению или уменьшению давления масла в системе смазки.Увеличение давления масла возможно при пользовании маслом повышенной вязкости, заедании редукционного клапана (закрыт) и засорении

Химический состав, методы получения порошков, свойства и методы их контроля

49. Химический состав, методы получения порошков, свойства и методы их контроля
Порошковые материалы – материалы, получаемые в результате прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме

В последние годы происходит повсеместная замена обычных трансформаторных источников питания современными импульсными блоками питания (далее именуемые SMPS – Switching Mode Power Supply).

При проектировании импульсных трансформаторов использовались следующие требования:

• высокая производительность
• небольшие размеры
• минимальное рабочее напряжение
• низкая частота сбоев
• низкий ток холостого хода

Теория импульсных блоков питания

В обычных источниках питания изменение напряжения и гальваническая развязка выполнялись на трансформаторе со стальным сердечником, работающим на частоте 50 Гц, полупроводниковым выпрямителем и линейным стабилизатором напряжения.

Однако КПД этой схемы очень низкий (не превышает 50%), большая часть мощности преобразуется в тепло в трансформаторе, диоде и аналоговом стабилизаторе. Большая номинальная выходная мощность требует наличия сетевого трансформатора повышенного размера и большой потери тепла. Этого неудобства можно избежать, увеличив рабочую частоту до нескольких сотен кГц и заменив регулятор напряжения электронным ключом с интеллектуальным управлением. Их задача – преобразовать сетевое напряжение в постоянное, а затем в выпрямленное напряжение, выполняемое быстрым переключением транзисторов. В результате получается высокочастотное прямоугольное напряжение, которое преобразуется импульсным трансформатором и выпрямителем.

Стабилизация выходной мощности достигается изменением ширины импульса при постоянной частоте или включением переключения в определенные периоды времени в зависимости от нагрузки схемы. Наиболее важные преимущества SMPS, сравнимые с обычными блоками питания:

• малый вес, уменьшенный объем, повышенная эффективность
• малая емкость фильтрующих конденсаторов для высоких частот переключения
• отсутствие слышимых помех из-за того, что частота переключения находится за пределами слышимого диапазона
• простое управление различными выходными напряжениями
• легко снижать высокое сетевое напряжение

С развитием мощных транзисторов с быстрой коммутацией для высоких частот, стало возможным использовать ИИП, работающие на частотах до 1 МГц. С помощью этого типа резонансных трансформаторов рабочие частоты могут быть увеличены даже до 3 МГц. Тем не менее, эти преимущества уменьшаются из-за нежелательного высокочастотного излучения, а также из-за более низкой скорости реакции на возможные изменения нагрузки.

Правда доступность новых магнитных материалов для трансформаторов, работающих в диапазоне частот примерно до 1 МГц, а также достижения в области источников питания стимулировали разработку новых высокочастотных сердечников трансформаторов.

Эта тенденция привела к разработке новых ферритов Mn-Zn с очень мелкой структурой зерен и материалов с уменьшенными гистерезисными потерями, что позволяет передавать мощность в диапазоне от 1 до 3 МГц. Высокие рабочие частоты приводят к дальнейшему уменьшению размеров ядер и, следовательно, всего блока питания. Новый принцип конструкции в планарной технологии позволяет изготавливать высокочастотные трансформаторы с кардинально уменьшенными размерами (плоские трансформаторы, низкопрофильные трансформаторы). Эта технология оказывает сильное влияние на разработку преобразователей постоянного и переменного тока, а также на производство гибридных импульсных источников питания.

Но вернёмся к теории. Импульсный источник питания работает контролируя среднее напряжение, подаваемое на нагрузку. Это делается путем размыкания и замыкания переключателя (обычно мощного полевого транзистора) на высокой частоте. Система более известна как широтно-импульсная модуляция – ШИМ. Схема ШИМ – самая важная, которая отличает этот тип блока питания, поэтому стоит вспомнить хотя бы само название.

На приведенной диаграмме показаны идеи, лежащие в основе работы ШИМ, и ее довольно просто понять: V = напряжение, T = период, t (вкл.) = длительность импульса. Среднее напряжение приложенное к нагрузке, можно объяснить следующей формулой:

Vo (av) = (t (on) / T) x Vi

Импульсы следуют друг за другом быстро (это порядка многих кГц, то есть тысячи раз в секунду), и для того, чтобы нагрузка не видела внезапных импульсов, необходимы конденсаторы, обеспечивающие относительно постоянный уровень напряжения. Уменьшение времени t (on) вызывает уменьшение среднего значения выходного напряжения Vo (av) и наоборот – увеличение длительности высокого вольтажного состояния t (on) увеличивает выходное напряжение Vo (av).

Предположим, что импульсный блок питания подает напряжение +12 В на нагрузку 6 А. Теперь, когда ток нагрузки внезапно повышается до 8 А, напряжение автоматически снижается до + 10,6 В. За доли секунды обратная связь, отправленная в схему ШИМ, заметит падение напряжения и включит полевой МОП-транзистор на более длительный период времени t (on). Благодаря этому схема может передавать больше мощности и восстанавливать выходное значение напряжения до +12 В.

Частота, с которой работает ШИМ, обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 150 кГц, но может быть намного выше.

Вот мы и дошли до практики. В зависимости от требуемой выходной мощности используются разные типы источников питания. Рассмотрим типы трансформаторных схем

Обратноходовый преобразователь

На приведенной схеме показаны основные формы сигналов тока и напряжения для обратноходового трансформатора.

Базовая схема flyback с трансформатором

В первой фазе цикла переключатель подключает дроссель L непосредственно к входному напряжению. Из-за постоянного входного напряжения Ue через дроссель протекает линейно возрастающий ток.

В этой фазе диод D заблокирован. Когда кнопка S открывается, полярность на дросселе меняется на обратную, так что диод проводит и энергия, накопленная в дросселе, передается нагрузочному конденсатору CLi R1. Дроссель действует как источник энергии. Таким образом, регулируя время зарядки на заданной частоте, можно менять энергию запасенную в дросселе.

Чтобы получить гальваническую развязку между входом и выходом схемы, дроссель заменяется трансформатором. Этот элемент действует как промежуточный накопитель энергии, так что цепь нагрузки может использовать энергию запасенную в трансформаторе, и тогда отсутствует прямая нагрузка на источник питания.

Условием сохранения энергии будет наличие в сердечнике трансформатора воздушного зазора или изолирующей прокладки между обеими половинами сердечника (которая имеет тот же эффект, что и воздушный зазор в средней части сердечника), но использование воздушного зазора в средней части сердечника обеспечивает лучшую обратную связь между обмотками.

Преобразователи прямоходового типа

На рисунке показана базовая схема преобразователя прямоходового типа. Когда ключ S замкнут, то линейно возрастающий ток течет через катушку непосредственно к конденсатору Ca и к нагрузке R1. На этом этапе энергия одновременно передается на дроссель и нагрузку. Диод D заблокирован.

Базовая схема прямоходового электропитания

Когда ключ открывается, магнитное поле дросселя прерывается. Полярность дросселя меняется, открывая диод. Энергия от дросселя через диод поступает на конденсатор и на нагрузку. Поскольку передача энергии в выходную схему также происходит при замкнутом ключе, тип этого трансформатора называется прямоходовым. Как и в случае трансформаторов обратного хода, энергия, запасенная в индуктивности в этом типе блока питания, может быть изменена за счет различного времени переключения.

Прямоходовое электропитание с трансформатором

На этой схеме показан источник питания прямого типа с трансформатором для разделения и преобразования сетевого напряжения. При использовании сердечника без воздушного зазора между первичной и вторичной обмотками поддерживается постоянный магнитный контакт. Но сбор и сглаживание выходного тока необходимо реализовать в отдельном дросселе Ls, для каждого выходного напряжения отдельно. Энергия, запасенная трансформатором во время фазы проводимости, передается на L1, Dl, Ce в фазе блокировки. Диод открывается при изменении полярности дросселя накопителя энергии.

Двухтактные преобразователи

Фактически, двухтактные трансформаторы состоят из двух соединенных между собой одиночных трансформаторов.

Базовая схема источника питания двухтактного типа

Переключатели S1 и S2 поочередно подключают первичную обмотку к источнику Ue. По сравнению с трансформатором прямого и обратного хода эта конфигурация обеспечивает возможность полной петли гистерезиса. Благодаря биполярной системе можно получить вдвое большую мощность при том же размере сердечника.

Даже при больших изменениях нагрузки, двухтактный трансформатор генерирует симметричное выходное напряжение, что позволяет напрямую использовать переменное напряжение без предварительного выпрямления, например в галогенном освещении.

Выбор вариантов схем электропитания

• легкое размагничивание сердечника
• дешевый в сборке

• необходима размагничивающая обмотка
• нужна хорошая магнитная связь между первичной и размагничивающей обмоткой

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзистореb. выходной токc. форма волны тока, протекающего через входной конденсаторd. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтактный преобразователь

• проблемы связанные с симметричностью
• нужна хорошая магнитная связь между первичными обмотками
• опасность одновременной проводимости транзисторов

Двухтранзисторный прямой преобразователь

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• легкое размагничивание сердечника
• трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Односторонний двухтактный преобразователь

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

• проблемы, связанные с симметризацией
• опасность одновременной проводимости транзисторов
• управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Мостовой двухтактный преобразователь

• проблемы, связанные с симметризацией
• опасность одновременного включения транзисторов на одном плече моста
• управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

• можно регулировать несколько выходных напряжений одновременно
• большой диапазон регулировки при изменении входного напряжения

• сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
• необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
• проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Инвертирующий (Buck-boost) конвертер

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• простой дроссель
• нет проблем с магнитной обратной связью
• небольшая нагрузка на входной конденсатор

• нет гальванической развязки между входом и выходом
• управляющее напряжение должно быть «плавающим»

Повышающий преобразователь

• простой дроссель
• нет проблем с магнитной обратной связью

• нет гальванической развязки между входом и выходом
• средняя нагрузка на выходной конденсатор

Понижающе-повышающий преобразователь

• обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua + Ue
• нет гальванической развязки между входом и выходом
• сильная нагрузка на выходной конденсатор
• управляющее напряжение должно быть «плавающим»
• выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению

Обратноходовый конвертор

Какую надо выбирать схему? Зависит от области применения. В любом случае во всех современных приборах используется импульсный источник питания. И несмотря на более сложную структуру, они значительно лучше своих предшественников с точки зрения эффективности и удельной мощности.

Форум по БП

Часто собирая какую нибудь электронную конструкцию,как то, усилитель звуковой частоты,средства автоматики,устройства на базе микроконтроллеров,и многое другое,мы задаемся вопросом а чем питать аппаратуру? Радиоэлектронные устройства в большинстве своем питаются постоянным напряжением отличным от напряжения сети. В последнее время все чаще импульсная техника вытесняет из повседневного обихода традиционные трансформаторные схемы блоков питания. Выигрыш тут очевиден, во первых это экономия намоточного материала, который стоит не дешево. Во вторых, это габариты и масса приборов,на сегодняшний день при современной миниатюризации аппаратуры различного назначения,этот вопрос очень актуален, большинство схем ИБП довольно сложны в сборке и настройке и не доступны для повторения начинающими радиолюбителями.

В данной статье приводится схема простого ИБП, при разработке которого ставилась задача простоты конструкции, хорошей повторяемости, использование подручного материала, несложности в сборке и настройке. Несмотря на простоту, ИБП имеет довольно неплохие характеристики.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

Питающее напряжение сети: 220В/50Гц.
Номинальная выходная мощность: 300Вт.
Максимальная выходная мощность: до 500Вт.
Частота преобразования напряжения: 30кГц.
Вторичное выпрямленное напряжение варьируется по необходимости.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИПБ

Принцип работы ИБП заключается в следующем: импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1,VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1,VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3,VT4 ,формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИБП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами С3,С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7,C8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления,для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8 питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2 c которой снимается переменное напряжение 12В. Цепочка VD2 ,C6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12В.Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3,VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9,С10. Если необходимое напряжение питания превышает 35В, включаются по два диода последовательно.

Несколько слов о конструкции ИБП: большинство компонентов взяты из неисправного компьютерного БП АТХ. А именно это микросхема TL494, конденсаторы С9,С10, диодный мост VDS1, конденсаторы С1,С2, С5,С6,С7, диод VD2, диоды Шоттки VD3,VD4, и ферритовые сердечники с каркасами TR1,TR2.

Сам ИБП конструктивно был собран в корпусе того же разобранного БП АТХ. Транзисторы VT3,VT4 установлены на радиаторы площадью 50 см2.

Данные перемотки трансформаторов TR1,TR2:
TR1, все четыре обмотки содержат по 50 витков провода 0.5 мм
TR2, Обмотка 1 наматывается проводом 0.8мм 110 витков. Обмотка 3 содержит 12 витков проводом 0.8мм. Обмотка 2 наматывается в зависимости от необходимого вторичного напряжения питания и рассчитывается из соотношения 1 виток на 2 вольта. Так как на выходе стоит удвоитель напряжения.

Список радиоэлементов

Опубликована: 2007 г.

Оценить статью

Средний балл статьи: 3.2
Проголосовало: 1 чел.

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

• малый вес конструкции;
• небольшие размеры;
• большая мощность;
• высокий КПД;
• низкая себестоимость;
• высокая стабильность работы;
• широкий диапазон питающих напряжений;
• множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания.

Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и кон­денсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запус­ка схемы.

При максимальной длительности положительные и отрица­тельные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обу­словленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Каскады усиления мощности и схема формирования двух­полярных импульсов получают питание от выпрямителей, выпол­ненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых коль­цах К10x6x4,5 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. Первичная об­мотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два прово­да).

Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 вит­ков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода. Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм^2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.