2.5. Проведение работ с блоками питания конструктива ATX

2.5. Проведение работ с блоками питания конструктива ATX

Структурное построение бестрансформаторных источников питания имеет ряд особенностей, отличающих их от преобразователей первичной энергии сети переменного тока, содержащих низкочастотный трансформатор на входе. Главное отличие заключается в том, что силовая часть бестрансформаторного преобразователя не имеет гальванической развязки с первичной питающей сетью. Питание силовых каскадов осуществляется выпрямленным напряжением сети. Некоторые каскады, такие, например, как автогенераторные схемы, рассчитаны на работу именно при питании сетевым напряжением 220 В и не функционируют при пониженном. Максимальное напряжение на силовых элементах схемы превышает действующее значение напряжения первичной сети практически в полтора раза. Пренебрежение мерами безопасности при работе с такими высокими напряжениями может привести к поражению электротоком. Неправильное подключение к источнику питания стационарных измерительных приборов при работе с ним может вызвать дальнейшее его повреждение. Избежать этого, а также сохранить в исправном состоянии измерительные приборы, можно, если воспользоваться советами, предложенными в этой главе.

При рассмотрении методики подключения измерительных приборов к БП будет использоваться схема, представленная на рис. 2.2. Общий подход к проведению ремонтных и диагностических операций сохраняется для всех схем, представленных в настоящей книге.

На рис. 2.19 показана упрощенная схема разводки промышленной сети потребителям переменного напряжения 220 В, принятая в нашей стране.

Рис. 2.19. Схема разводки первичной электрической сети

Для снижения потерь и уменьшения токовой нагрузки на энергосеть передача электроэнергии производится линиями электропередач высокого напряжения. Для его преобразования в промежуточных распределительных подстанциях установлены трехфазные трансформаторы VT. Подача электропитания с напряжением 220 В к конечным потребителям осуществляется с выходов обмоток этих трансформаторов. Вторичные обмотки состоят из проводов: трех фазных и одного нулевого, заземленного в месте установки трансформатора. Напряжение между фазными проводами составляет 380 В, напряжение между нулевым проводом и произвольной фазой – 220 В. Для большинства потребителей электросеть подводится одним фазным и нулевым проводами. Необходимое соблюдение баланса нагрузки по всем фазам достигается равномерной разводкой фазного напряжения от разных вторичных обмоток трансформатора VT по потребителям с примерно одинаковой потребляемой мощностью.

На рис. 2.19 для простоты показана только одна условная розетка, отражающая схему подключения конкретного потребителя. Розетка имеет два полюса для соединения с питающим напряжением и два контакта для подключения к контуру защитного заземления (зануления). Один полюс розетки подключен к фазному проводу вторичной обмотки трансформатора VT, второй полюс, объединенный с контактами защитного заземления, соединяется с нулевым проводом. К выводу нулевого провода производится подключение корпусов всех измерительных приборов с питанием от сети переменного тока. В отечественной сети переменного тока к розеткам напряжения 220 В отдельный провод заземления, который не имел бы соединения ни с одним из ее полюсов, не подключается. Это обстоятельство следует обязательно учитывать при проведении измерений в блоке питания с использованием стационарных приборов.

Согласно требованиям техники безопасности, металлический корпус стационарного измерительного прибора должен иметь надежное соединение с контуром защитного заземления. Часто в качестве такого прибора используется осциллограф, один из электродов его измерительного щупа подключен к корпусу. Большинство осциллограмм напряжений силового каскада снимаются относительно отрицательного электрода конденсатора C6 (рис. 2.2). Рассмотрим, что происходит при подключении осциллографа к силовому каскаду импульсного источника питания. Источник и осциллограф подключены через обычные розетки, разводка которых соответствует, приведенной на рис. 2.20. На рисунке показан способ подключения электродов осциллографа с заземленным корпусом к силовому каскаду БП.

Конкретная схема сетевого фильтра источника питания в данном случае не имеет значения и показана условно. Обозначения элементов блока питания соответствуют их позиционному обозначению на рис. 2.2. Подключение источника питания к розетке выполняется трехпроводным шнуром. Два проводника шнура соединяют потенциальные полюса розетки и выводы входного сетевого фильтра источника. Корпус блока питания заведен на третий провод и через него подключен к контактам заземления розетки.

Рассмотрим подключение осциллографа к источнику питания, когда его первичная цепь включена в соответствии с указанной фазировкой розетки. Если предполагается измерить режим работы силовых элементов импульсного преобразователя, «общий» провод измерительного щупа соединяется с отрицательной обкладкой конденсатора C6. Все предварительные электрические соединения осуществляются до подачи напряжения питания. Если «общий» провод щупа подключен, то при подаче электропитания на источник происходит очень быстрое выгорание диода D11 выпрямительного моста предохранителя (на схеме не показан) и, возможно, части индуктивных элементов входного фильтра. Дополнительные повреждения могут возникнуть на печатных проводниках и токоограничивающих терморезисторах. Такой эффект возникает из-за того, что при указанном подключении происходит замыкание потенциальных проводников входного переменного напряжения через дроссель фильтра L1 – диод D11. В течение отрицательной полуволны входного напряжения диод D11 открывается. Сопротивления прямо смещенного диода D11, предохранителя и дросселя L1 достаточно малы, следовательно, ток, протекающий через эти элементы, достигнет большой величины. Выгорает диодная структура, затем предохранитель. Повреждение провода дроссельной катушки будет зависеть от того насколько быстро до выгорания предохранителя успеет возрасти ток. Фазировка подключения блока питания к сети может быть обратной. В этом случае процесс будет развиваться по аналогичной схеме, только повреждены будут диод D12 и дроссель L2.

В этом случае никаких измерений параметров силового каскада произвести не удастся! Если общий проводник осциллографа будет подключаться к другой точке силового каскада, это будет эквивалентно ее подсоединению к нулевому проводу первичной сети. Повреждения элементов схемы и печатного монтажа в каждом конкретном случае будут определяться с помощью протекания токов и попадания переменного напряжения на каскады, рассчитанные на работу от источника постоянного напряжения определенного уровня.

Можно сделать вывод – для проверки рабочих параметров элементов бестрансформаторного источника питания подключать приборы по схеме рис. 2.20 нельзя. Это может привести к выходу из строя элементной базы, а также к поражению электротоком персонала, производящего проверку.

Самым простым и действенным способом использования заземленного прибора для работы с первичной цепью источника питания является применение дополнительного развязывающего трансформатора. Обмотки трансформатора должны обеспечивать гальваническую развязку с питающей сетью. Любое использование автотрансформатора для этих целей недопустимо. Первичная обмотка дополнительного трансформатора подключается к питающей сети. Вторичная обмотка соединяется с входной цепью блока питания. Схема подключения к первичной сети переменного тока импульсного источника питания через дополнительный развязывающий трансформатор VT показана на рис. 2.21.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора развязки должно быть равно номинальному напряжению первичной сети, то есть 220 В. Мощность трансформатора сетевой развязки должна подбираться на основе анализа режимов, в которых предполагается его использование. Если нужно производить подключение первичной цепи источника с диагностикой на холостом ходу вторичных цепей, то достаточно будет трансформатора с вторичной мощностью около 50 Вт. Если же необходима проверка блока в реальных нагрузочных режимах, следует подбирать трансформатор на максимальную мощность источника питания с учетом КПД импульсного преобразователя и КПД трансформатора развязки.

В основном же применение трансформатора развязки необходимо при проведении первичной диагностики цепей сетевого фильтра, выпрямителя и силового каскада. Подключать трансформатор можно также во время контрольного прогона преобразователя на холостом ходу (без вторичных нагрузок) после замены неисправных элементов. Как правило, рабочее тестирование с полной нагрузкой возможно непосредственно в реальной системе, так как не всегда есть возможность создать нагрузочный эквивалент, распределенный по вторичным каналам.

При установленном трансформаторе сетевой развязки допускается полное использование измерительных приборов с одним заземленным полюсом без каких-либо ограничений. В этом случае появляется возможность контроля статических уровней напряжений питания на элементах силового каскада и проверки их динамических характеристик в режимах переключения.

В источнике ATX форм-фактора функционирование только одного каскада нужно проверять в реальном диапазоне первичного питания. Это автогенераторный каскад на транзисторе Q3. Условия его самовозбуждения рассчитаны на питание ~300В постоянного напряжения. Поэтому все проверки работоспособности автогенератора с проведением измерений режимов элементов следует производить с трансформатором развязки. Подключение к источнику питания должно выполняться в соответствии с рис. 2.21. Все остальные узлы в процессе первичной диагностики можно проверить с помощью источника постоянного напряжения с максимальным выходным уровнем 30 В.

Минимальный набор приборов для проведения диагностики исправности элементов блока питания следующий:

• развязывающий трансформатор с напряжением вторичной обмотки 220 В (±10 %) и мощностью вторичной цепи не менее 50 Вт;

• осциллограф с полосой не менее 10 МГц, оснащенный щупом-делителем 1:10, с рабочим диапазоном для постоянных и переменных напряжений не менее 800 В;

• универсальный вольтметр для проведения измерений статических уровней и проверки отдельных элементов;

• два перестраиваемых источника постоянного напряжения со шкалой до 30 В, нагрузочной способностью не менее 2 А и встроенной защитой от перегрузки.

Аксессуары для производства работ по демонтажу и замене элементов здесь не рассматриваются.

Ниже предлагается последовательность операций, обеспечивающих комфортные условия применения измерительных приборов и успешное выявление причин, вызвавших отказ блока питания. В этом разделе описаны только правила подключения приборов к проверяемому импульсному блоку питания. Вопросы выполнения конкретных измерений и оценки работоспособности узлов и элементов будут рассмотрены отдельно.

Работы по проверке работоспособности отдельных узлов импульсного источника питания следует выполнять в условиях, максимально соответствующих требованиям безопасности и исключающих повреждение элементов схемы. Так как электропитание узлов возбуждения усилителей мощности производится от напряжений менее 30 В, их проверку можно осуществлять от внешних низковольтных стабилизированных источников. Питание силовых каскадов номинальным напряжением требуется в тех случаях, когда необходимо обеспечить во вторичных цепях блока питания уровни выходных напряжений, отвечающие требованиям технических характеристик. Для простой проверки процессов переключения силовых транзисторов и работы их базовых цепей уровень напряжения питания усилителя мощности может быть значительно ниже, то есть составлять также ~30 В. Предлагаемые общие правила работы с БП, имеющими каскад внешнего возбуждения, применимы к большинству схем. Позиционные обозначения элементов в приведенном описании соответствуют обозначениям на рис. 2.2. Следует учитывать, что все соединения электрических цепей блока питания и внешних источников стабилизированного напряжения можно производить только при выключенном состоянии приборов.

2.5.1. Проверка каскада ШИМ преобразователя

Проведение проверки на функционирование узла ШИМ преобразователя не требует подключения вторичных нагрузок. Проверка выявляет работоспособность модулятора IC1 и промежуточного усилителя на Q7 и Q8.

Схема подключения электропитания для проведения проверки работоспособности ШИМ преобразователя показана на рис. 2.22.

Проверка каскада ШИМ преобразователя выполняется при подаче положительного напряжения только от внешнего стабилизированного источника 1 в точку соединения элементов, а именно: положительная обкладка конденсатора C24, катод 25, катод D9, резисторы R32, R44 и R45, вывод IC1/12. Входная цепь импульсного блока питания при этом должна быть полностью обесточена. Выходное напряжение стабилизированного источника должно иметь значение 25 В. Такой уровень напряжения приближен к реальному значению напряжения питания микросхемы IC1 в рабочем режиме и обеспечивает формирование импульсного сигнала с амплитудой, достаточной для возбуждения транзисторов силового каскада. Отрицательный полюс стабилизированного источника соединяется с общим проводом вторичных цепей. Для нормального запуска ШИМ преобразователя вход сигнала PS-ON должен быть замкнут перемычкой на общий провод вторичной цепи питания. Стабилизированный источник 2 необходимо подключить к выходным контактам вторичного канала +5 В. Выходное напряжение второго внешнего источника должно иметь значение 5 В. Необходимо также отключить один из контактов резистора R8 и тем самым исключить срабатывание канала защиты в отсутствие вторичных напряжений с отрицательными значениями. Остальные входы цепей включения защиты преобразователя, присоединенные к базовой цепи транзистора Q4, остаются свободными, так как в данном случае они не влияют на функционирование IC1. Второй источник постоянного напряжения необходим, так как без него на вывод IC1/2 не будет подаваться напряжение обратной связи, что аналогично короткому замыканию вторичного канала +5 В, вследствие чего может произойти блокировка IC1 по сигналу от датчика увеличения ширины импульсов управления (транзистор Q6).

В такой конфигурации подключения питания можно провести все проверки ШИМ преобразователя в режиме генерации импульсного сигнала по выходам IC1/8,11, а также в режиме работы импульсного усилителя на Q7 и Q8. Если для проведения измерений используется осциллограф с заземлением (занулением) корпуса, то его общий провод должен быть соединен с общим проводом вторичной цепи источника питания. Измерения всех сигналов будут производиться относительно общего провода вторичной цепи. Включение обоих стабилизированных источников нужно производить одновременно.

Включение механизма защиты при повышенном выходном напряжении канала +5 В можно проверить, увеличив значение напряжения на стабилизированном источнике 2 до уровня 6,2 В. При этом должны последовательно переключиться в проводящее состояние транзисторы Q4 и Q1. Если срабатывание происходит правильно, то на выводе IC1/4 установится напряжение со значением примерно +5 В. Генерация импульсов по выходам IC1 /8,11 прекратится. Возобновление работы микросхемы IC1 должно произойти после непродолжительного выключения обоих стабилизированных источников.

С помощью двух внешних источников постоянного напряжения можно проверить правильность формирования сигнала «питание в норме» микросхемой IC2. При правильной работе каскадов на IC2 после включения обоих стабилизированных источников на выводе IC2/1 появляется напряжение по значению близкое к +5 В.

2.5.2. Безопасная проверка функционирования силового каскада

Базовая конфигурация подключения оборудования для электропитания узлов импульсного преобразователя при проверке работоспособности его силового каскада аналогична конфигурации, представленной на рис. 2.22. Для подачи напряжения на силовой каскад следует соединить положительный полюс конденсатора C5 с выводом «+» внешнего источника 1, а отрицательный полюс необходимо подключить к общему проводу вторичной цепи. Силовой каскад и ШИМ преобразователь будут запитаны от одного источника.

Напряжения питания на схему подаются от обоих внешних источников. При правильной работе транзисторов Q9 и Q10 в точке соединения конденсаторов C5 и C 6 напряжение устанавливается на уровне половины напряжения источника 1. Размах переменного импульсного сигнала на коллекторе Q10 будет равен значению полного напряжения питания, поданного на силовой каскад. Сигналы в базовых цепях силовых транзисторов будут иметь реальные значения рабочих уровней и длительности импульсов.

Наблюдение сигналов в базовой цепи транзистора Q10 производится относительно общего провода схемы. Для оценки уровня импульсного сигнала в базовой цепи Q9 следует отключить осциллограф от заземления. Тогда с его помощью можно наблюдать сигналы в базовой цепи транзистора Q9 и провести измерения относительно его эмиттера.