2.4. Принципиальная схема

2.4. Принципиальная схема

Полная принципиальная схема бестрансформаторного источника питания с максимальной вторичной мощностью 200 Вт фирмы DTK представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема бестрансформаторного источника питания на 200 Вт фирмы DTK

Все элементы на принципиальной схеме (см. рис. 2.2) расположены на одной односторонней печатной плате. Здесь не показаны разъемы подключения сетевого питания и выключатель, который находится на системном модуле персонального компьютера. Элементная база, использованная в данной схеме, рассчитана на нагрузочные параметры, приведенные в разделе 2.1. Увеличение потребляемой от источника питания мощности сверх норм, указанных в разделе 2.1, приведет к защитному отключению преобразователя.

Для защитного отключения схемы первичного преобразования входного напряжения при неисправностях во входной цепи перед помехоподавляющим фильтром установлен плавкий предохранитель. Наличие плавкого предохранителя обязательно и является выполнением соответствующего требования «Руководства по проектированию источников питания» версия 0.9. Ток его срабатывания составляет 5 А при уровне питающего напряжения 250 В. Предельные параметры предохранителя выбраны с учетом технологического запаса. Необходимость выбора предохранителя с таким запасом обусловлена использованием емкостного фильтра, установленного после диодного выпрямителя. В соответствии с законом коммутации, напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно (скачком), то есть в начальный момент подключения преобразователя к питающей сети конденсаторы фильтра С5 и С6 представляют собой короткозамкнутые элементы. В этот момент через цепь входного фильтра происходит скачок тока, который снижается по мере зарядки этих конденсаторов. В процессе нормальной работы преобразователя общий ток потребления, протекающий через предохранитель, определяется величиной подключенной нагрузки и КПД источника. Типономинал предохранителя выбирается с учетом максимального первоначального броска тока. В качестве ограничителя пускового тока и для обеспечения плавной зарядки емкостей преобразователя используется терморезистор NTCR1. Терморезистор имеет отрицательный коэффициент сопротивления (обозначен на схеме – t) и соответственно при нагревании сопротивление этого резистора уменьшается. В исходном (холодном) состоянии терморезистор имеет сопротивление, равное нескольким омам, поэтому в начальный (пусковой) момент он выполняет функции ограничителя тока. В процессе работы схемы преобразователя происходит постепенный разогрев терморезистора, при этом его сопротивление снижается до нескольких десятых долей ома. В рабочем режиме он не оказывает заметного влияния не только на работу схемы, но и на его энергетические показатели источника питания.

Далее по схеме между предохранителем и диодным выпрямителем включен индуктивно-емкостной сетевой фильтр, выполненный на элементах C1, T1, C2, T5, C3 и C4. Фильтр осуществляет функции помехоподавления как для внешних помех, проникающих из питающей сети на вход источника, так и для внутренних, возникающих при работе ВЧ преобразователя. В фильтре использованы индуктивные элементы, изготовленные с применением высокочастотных ферритовых сердечников – дросселей Т1 и Т5. Поскольку в современных аппаратных средствах вычислительной техники применяются импульсные устройства (цифровые логические элементы электронных схем, импульсные источники питания), основной спектр помех смещен в область частот с нижней границей 20–30 кГц. Помехи, проникающие в сеть от вычислительных средств, являются комбинацией частотных составляющих, появляющихся в результате импульсных помех преобразователя напряжения и информационных составляющих обрабатываемых данных. Для подавления несимметричных помех используется звено П-типа, состоящее из нескольких элементов: конденсатора C1, дросселя Т1 и конденсатора C2. Второе звено фильтра, выполненное на следующих элементах: конденсаторе C2, дросселе Т5 с двумя обмотками включенными навстречу друг другу (отмечено на схеме точками), конденсаторах C4 и С3, – предназначено для фильтрации симметричных помех. Элементы фильтра выбраны таким образом, что затухание помех по мере увеличения частоты их спектральных составляющих относительно частоты среза фильтра непрерывно возрастает. Энергия, накопленная в индуктивно-емкостных элементах входного фильтра, позволяет компенсировать кратковременные сбои питающего напряжения (см. пункты соответствующих параметров в разделе 3.1). Точка соединения конденсаторов C4 и C3 выведена на корпус и подключается к защитному заземлению. Подобная конструкция помехоподавляющего фильтра предполагает обязательное заземления корпуса прибора. Если этого не сделать, то на корпусе будет присутствовать потенциал, равный половине питающего напряжения.

В данном варианте схемы импульсного источника питания не применяется автоматическое опознавание номинала напряжения первичной питающей сети. Значение входного напряжения выбирает пользователь и устанавливает его коммутацией переключателя S1, который изображен на принципиальной схеме (см. рис. 2.2) над сетевым диодным выпрямителем на элементах D11 – D14. При напряжении первичной сети равном 220 В средний контакт переключателя остается свободным и никуда не подключается. Если работа источника питания должна производиться с питанием от напряжения 115 В, то средний контакт переключателя при коммутации соединяется с точкой соединения конденсаторов C5 и C6. Рассмотрим, как переключатель действует на схему.

В положении переключателя, соответствующем входному переменному напряжению 220 В, в работе находятся все диоды двухполупериодного выпрямителя D11 – D14. Действующее значение выпрямленного напряжения, измеренного на положительной обкладке конденсатора C5 относительно отрицательной обкладки C6, составляет 220 В х х 1,41 = 310 В. Именно на напряжения, близкие к данной величине, рассчитаны все рабочие режимы усилителя мощности, вторичные цепи и параметры стабилизации ШИМ формирователя. Если сохранять схему выпрямителя без изменения, то при переходе на питание от пониженного напряжения, то есть 115 В, действующее значение напряжения должно снизиться до уровня 115 В х 1,41 = 162 В. Для того чтобы значение выпрямленного напряжения не изменилось переключателем подключают один из фазных проводов первичной сети к точке соединения конденсаторов C5 и C6. В этом случае схема подключения питающего напряжения выглядит так, как показано на рис. 2.3а. Переключатель S1 на этом рисунке показан в замкнутом положении.

Согласно схеме, приведенной на рис. 2.3а, в активной выпрямительной схеме реально работают только диоды D12 и D14. Диоды же D11 и D13 не влияют на состояние схемы, так как они оказываются шунтированными замкнутым переключателем S1. Таким образом, полученная схема эквивалентна схеме, представленной на рис. 2.3б. Такой вид выпрямителя известен, как схема с удвоением входного напряжения. Выходное выпрямленное напряжение будет иметь значение ~325 В. Условия работы основных каскадов по напряжению первичного питания сохранены и выполняются. Общая мощность потребления переменного тока источником питания от сети при изменении напряжения сохраняет свое значение. Но при питании от напряжения 115 В ток потребления возрастает примерно в два раза по сравнению с аналогичными условиями работы при питании источника от напряжения 220 В.

К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться особенно осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора C5 будет стремиться к значению 220 В х 1,41 х 2 = 620 В. Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра C5 и C6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В. Предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.

Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В. Условия работы схемы не будут выполнены и преобразователь не запустится.

Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания. Контроль уровня входного напряжения выполняется с помощью двух варисторов Z1 и Z2, установленных во входной цепи источника питания. Варисторы – нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения. Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, – 07D241.

Первый варистор – Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.

Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов C5 и C6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора. Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжение на Z2, его сопротивление уменьшится и предохранитель F1 сгорит.

Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем. После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11 – D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами C5, C6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя. Последний выполнен на транзисторе Q3. Если выпрямленное питающее напряжение превышает ~180 В х 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3. В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Т6, к вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5 VSB). Один вывод вторичной обмотки трансформатора T6 подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора T6. Выпрямитель ШИМ формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода этого выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5VSB) образован диодом D8 и конденсатором C14 соответственно. При поступлении питания ШИМ преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности. Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме. Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени. Включение транзисторов в полумостовой схеме требует, чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя. Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ регулятора.

С вторичных обмоток трансформатора Т3 импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходит их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания. К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени. Теперь последовательно рассмотрим функционирование и устройство всех основных узлов импульсного источника в следующей последовательности: автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3, ШИМ регулятор и относящиеся к нему цепи, усилитель мощности, каналы вторичных напряжений, цепи защиты источника питания. Набор этих узлов является типовым для блоков питания ATX форм-фактора. Их построение у разных фирм-производителей может отличаться в деталях, но основные принципы остаются неизменными. Ниже приводится информация, которая может служить базой для изучения или работы с аналогичными изделиями.

2.4.1. Автогенераторный вспомогательный источник

Автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3 выполнен по схеме однотактного преобразователя с насыщающимся трансформатором. В выпрямителях вторичных каналов использована схема с обратным включением выпрямительного диода, то есть ток через диод и в нагрузку протекает во время закрытого состояния силового транзистора Q3.

В момент подачи питания на каскад автогенератора на базу транзистора Q3 через последовательно соединенные резисторы R12 и R6 поступает напряжение начального смещения. Транзистор Q3 открывается, через него и первичную обмотку трансформатора Т6, подключенную между коллектором Q3 и положительным полюсом напряжения питания, начинает протекать ток. Этот ток наводит ЭДС самоиндукции в обмотке обратной связи, намотанной на тот же сердечник и подключенной к базовой цепи транзистора Q3 таким образом, что возникший импульс положительной полярности через конденсатор C11 и резистор R6 проходит на базу Q3 и поддерживает процесс открывания транзистора Q3. При этом транзистор переходит в состояние насыщения. Напряжение на нем минимально, а величина тока определяется индуктивным сопротивлением первичной обмотки T6. Нарастание тока в первичной обмотке T6 будет продолжаться до наступления насыщения его сердечника, затем прекращается импульс напряжения в обмотке обратной связи, поддерживающий транзистор Q3 в состоянии насыщения. После этого полярность напряжения на обмотке обратной связи резко меняется на противоположную, начинается процесс закрывания транзистора и перемагничивания сердечника. На базу транзистора Q3 поступает запирающий потенциал. Транзистор Q3 вновь открывается после перезарядки конденсатора C11 через резистор R12 и нарастания напряжения смещения на нем до уровня открывания транзистора Q3. Временные параметры работы данной схемы определяются значениями сопротивления резистора R12, емкости конденсатора C11 и индуктивными характеристиками обмоток трансформатора Т6.

Накопление энергии в сердечнике трансформатора Т6 происходит в течение открытого состояния транзистора. Вторичные обмотки трансформатора Т6 подключены к выпрямителям таким образом, что в момент открывания транзистора Q3 к выпрямительным диодам D8 и D9 поступает отрицательное запирающее напряжение. Когда полярность напряжения в обмотках трансформатора T6 меняется, транзистор Q3 закрывается и к диодам выпрямителей D8 и D9 подается отпирающее положительное напряжение. Диоды открываются, через них протекает ток на конденсаторы фильтров и в нагрузку.

Демпфирующая цепочка из диода D2, резистора R1 и конденсатора C10 снижает уровень выбросов напряжения при переключении транзистора. Ее необходимость становится очевидной в момент запирания транзистора, когда уровень скачка напряжения без нее может достигать 4Uп = 1200 В!

Стабилитрон ZD2, резистор R7 и диод D7 работают в цепи смещения базовой цепи транзистора Q3, а в моменты коммутации оказывают демпфирующее воздействие на переход база-эмиттер.

На рис. 2.4 приведены диаграммы напряжений в контрольных точках автогенераторного вспомогательного источника на транзисторе Q3.

На верхней диаграмме представлен импульсный сигнал, формируемый на коллекторе транзистора Q3. На средней диаграмме показано изменение напряжения в точке соединения конденсатора C11, базовой обмотки обратной связи и катода диода D7. Нижняя диаграмма отражает вид сигнала на базе транзистора Q3. В точке соединения резистора R7 и отрицательной обкладки конденсатора C16 в установившемся режиме работы напряжение имеет постоянную величину от -8,2 до -8,4 В, измеренную относительно потенциала отрицательной обкладки конденсатора C6 или эмиттера Q3. Диаграммы напряжений получены при отсутствии нагрузки в канале напряжения питания дежурного режима. Единственным элементом нагрузки являлась схема ШИМ преобразователя – IC1.

Транзистор автогенератора установлен на печатной плате напротив вентилятора без дополнительного теплоотвода. Охлаждение его производится воздушным потоком. Этого оказывается достаточно для исключения перегрева, так как максимальная мощность данного автогенераторного вспомогательного источника, отдаваемая в нагрузку, составляет несколько ватт.

Принципиальные схемы автогенераторов различных фирм-производителей для источников питания ATX форм-фактора могут отличаться некоторыми деталями. В качестве примера приведем силовую часть схемы аналогичного назначения, используемую в импульсном преобразователе фирмы Linkworld. Фрагмент принципиальной схемы автогенератора вспомогательного канала, входящего в состав источника питания фирмы Linkworld, приведен на рис. 2.5.

Принцип действия автогенератора, построенного по схеме рис. 2.5, аналогичен рассмотренному выше принципу. В первичной цепи трансформатора TV включены две обмотки: W1 – первичная силовая обмотка, Wос – обмотка обратной связи, подсоединенные в базовой цепи транзистора VT1. Питание каскада осуществляется выпрямленным сетевым напряжением. Общие проводники первичной и вторичной цепей не имеют гальванических соединений. В качестве демпфирующей цепочки, подключенной к коллектору транзистора VT1, использованы последовательно соединенные резистор R5 с номиналом 100 Ом и конденсатор С3 емкостью 2000 пФ. Вследствие того, что при работе на индуктивную нагрузку транзистор VT1 испытывает большие перегрузки по напряжению, в схеме применен мощный транзистор типа 2SC5027. Тип диодов VD1 и VD2 – 1N4148. Элемент ZD1 – маломощный стабилитрон с напряжением стабилизации 6,8 В. Резисторы имеют следующие номиналы: R1 – 1,5 кОм, R2 – 820 Ом, R3 – 470 кОм, R4 – 1,5 кОм. Конденсатор C1 – электролитический на напряжение 50 В и емкостью 10 мкФ. Конденсатор С2 – керамический, емкостью 4700 пФ. На рис. 2.5 цифрами в кружочках отмечены контрольные точки, для которых на рис. 2.6 приведены диаграммы напряжений.

Как видно из верхней диаграммы (см. рис. 2.6), частота генерации составляет ~ 110 кГц. Величина напряжения на коллекторе практически достигает 700 В. На отрицательной обкладке конденсатора C1 (относительно положительной) в процессе работы устанавливается постоянное напряжение величиной ~ -9,5 В. Измерения параметров данной схемы и снятие временных диаграмм производилось в отсутствие нагрузки по всем вторичным цепям, включая канал +5VSB.

Основные функции автогенераторной схемы заключаются в формировании начального напряжения питания, необходимого для запуска ШИМ преобразователя, и в обеспечении подачи напряжения на электронные узлы, когда компьютер находится в дежурном режиме работы.

Вторичная обмотка трансформатора Т6 одним выводом присоединена к общему проводу вторичной цепи питания. От средней точки вторичной обмотки сделан отвод для подключения выпрямителя канала дежурного режима. Выпрямитель выполнен на одном диоде D8, параллельно которому включена форсирующая емкость C13 для ускорения рассасывания избыточного заряда в полупроводниковой структуре при подаче на диод запирающего напряжения. Катод диода D8 соединен с конденсатором фильтра C14 и входом VI параметрического стабилизатора IC3. Параллельно входу IC3 подключен резистор R19 с номиналом 680 Ом.

В отсутствие нагрузки источника питания по всем каналам конденсаторы выпрямительных фильтров заряжаются до амплитудного значения импульсного напряжения. В этом случае напряжение на выходе выпрямителя канала +5VSB составляет +20 В, а на катоде диода D9 (выпрямитель канала питания ШИМ преобразователя) оно равно +15 В.

Сравнивая две автогенераторные схемы, отметим различия в построении самого автогенератора и в подключении вторичных обмоток к нагрузочным цепям. В выпрямительной схеме источника питания фирмы DTK на стабилизатор канала +5VSB подается напряжение более высокого уровня, чем на схему электропитания ШИМ регулятора. А в схеме источника фирмы Linkworld наоборот. В этом случае напряжение питания микросхемы ШИМ регулятора в отсутствие потребления по каналу +5VSB составляет примерно +35 В, а на входе микросхемы IC3 оно равно +17 В.

Согласно рекомендациям «Руководства…», о котором упоминалось выше, канал дежурного режима должен выдавать стабилизированное напряжение с номинальным значением +5 В постоянно, когда на источник питания подано первичное напряжение. Этот канал должен оставаться работоспособным, даже если остальные вторичные питающие напряжения отключены внешним сигналом высокого логического уровня, поданным на вход PS-ON источника питания. Напряжение дежурного канала необходимо для формирования самого сигнала PS-ON. Состояние дежурного режима может быть установлено, если существует необходимость запуска ПЭВМ через карту локальной сети (LAN-адаптер) или модем.

Минимальная токовая нагрузка, которую обязан обеспечивать канал дежурного режима, должна составлять 750 мА при уровне выходного напряжения +5 В (±5 %). С развитием вычислительной техники энергетические потребности в мощности по каналу дежурного питания постепенно возрастают. Поэтому было принято условие: увеличение токовой нагрузки по этому каналу до значений 1 А или 1,5 А не должно приводить к выходу из строя элементов источника питания, работающих в этом канале. Канал должен быть снабжен встроенной защитой от перегрузки. Для выполнения этого требования и обеспечения стабилизации напряжения +5VSB в канале установлен интегральный стабилизатор 7805 – микросхема IC3. Стабилизатор имеет встроенную защиту от перегрузки и перегрева. К выходу интегрального стабилизатора IC1/3 подключен дополнительный фильтрующий конденсатор C16.

При подаче входного напряжения питания к источнику на выходе стабилизатора IC3 формируется напряжение +5 В. Через резистор R22 выход этого стабилизатора подсоединяется к базовой цепи транзистора Q2. Таким образом, если на входе сигнала нет иного напряжения, подаваемого, например, от системной платы компьютера, то базовая цепь транзистора Q2 оказывается под воздействием высокого логического уровня, блокирующего работу основной схемы преобразователя. Вследствие чего происходит отключение вторичных напряжений.

Интегральные стабилизаторы напряжения положительной полярности серии 78ХХ содержат микросхемы с аналогичным схемотехническим построением и отличаются уровнями выходного напряжения. Выбран следующий ряд положительных напряжений стабилизации (в вольтах): 5, 6, 8, 8,5, 9, 12, 15. Стандартный допуск на отклонение выходного напряжения от номинального значения составляет ±5 %. Номинал выходного напряжения указывается в наименовании микросхемы вместо ХХ, например: ХХ = 05 – означает +5 В, ХХ = 85 – это 8,5 В. В наименовании зарубежных микросхем перед типом прибора присутствует индекс, указывающий на фирму-производитель, например: тА78ХХ – фирма Fairchild, ИА78ХХ – Texas Instruments и т. д. Функциональными аналогами этих стабилизаторов отечественного исполнения являются микросхемы серии КР142ЕНХХ, точность установки выходного напряжения в них составляет от ±2 до ±4 % в зависимости от номинала выходного напряжения и исполнения корпуса. Нагрузочная способность стабилизаторов для различных модификаций равна 1,5 и 2 А. В отечественной маркировке цифра в конце не всегда соответствует значению напряжения стабилизации. Так, стабилизатор с номинальным выходным напряжением +9 В имеет обозначение КР142ЕН8А, а микросхема КР142ЕН5Б на выходе формирует напряжение +6 В. Для надежного определения типа прибора при проведении замены обязательно следует пользоваться справочной литературой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.