Использование трансформатора от компьютерного блока питания: Реинкарнация компьютерных БП. Часть 1

Содержание

Доработка блока питания

Иногда возникает потребность получить от стандартного блока питания персонального компьютера(далее БП) кроме имеющихся напряюжений еще и дополнительный выход с напряжением в несколько десятков вольт и невысокой степени стабилизации, например для питания шаговых двигателей. Такое решение оправдано при при разработке опытных экспериментальных ,штучных приборов и устройств на основе PC.Преимуществом такого подхода являются дешевизна, скорость, ну и возможно простота технического решения за счет отказа от необходимости реализации некоторых требований предъявляемых к электронным системам (например гальванической развязки драйверов исполнительных устройств и блоков управления). Для получения требуемых напряжений имеется возможность реализации нескольких вариантов доработки, разной степени сложности, стандартного БП, причем с сохранением всех его исходных функций . При этом необходимо учитывать следующие характеристики питающего устройства:

-количество дополнительных выходов

-полярность напряжений

-мощность, нагрузочная способность, токи

-стабилизация(напряжения, тока), ее характеристики,

-защита от перегрузок

-наличие гальванической развязки

Для того что-бы максимально полно использовать эти возможности предлагаю рассмотреть схему стандартного БП ATX 250 -350 вт . Таких схем достаточно много приведено в интернете. На рис.1 изображены основные узлы необходимые для иллюстрации описания принципа работы устройства

В компьютерных блоках питания, для получения выходных напряжений, используются отдельные вторичные обмотки основного трансформатора.Для каждого из выходов используется своя пара диодов на выходе которых относительно средней точки соответствующей обмотки имеется выпрямленное импульсное напряжение каждого полупериода частоты преобразования. Для выделения постоянной составляющей используется LC цепочка -дроссель и выходной электролитический конденсатор большой емкости для каждого напряжения.Все дроссели намотаны на одном кольцевом сердечнике и поэтому представляют из себя тарнсформатор.Количество витков обмоток этого трансформатора подобрано таким образом что соотношение выходных напряжений остается постоянным (относительно) при изменении нагрузки на разных выходах.Поэтому для системы стабилизации можно использовать одно из напряжений, как правило это +5 вольт, остальные напряжения будут поддерживаться автоматически.

Такое решение конечно же снизило точность установки и стабилизации выходных напряжений , но поскольку это не так уж и критично для систем и узлов персонального компьютера, упростило блок питания, и , является вполне оправданным.

Большинство мпульсных блоков питания, по сути своей, не могут работать без нагрузки. Такой режим не предусмотрен при нормальной эусплуатации. Поэтому,если БП не включен в состав какого либо устройства желательно обеспечить нагрузку, хотя бы минимальную, на выходе с напряжением +5 вольт. Для этого можно использовать например небольшую лампочку накаливания на напряжение 6,3 вольта.Ее свечение можно использовать для индикации включенного состояния.

Поскольку нашей целью является получение дополнительных напряжений , лучше всего будет использовать для работы , полностью исправный, рабочий блок питания, и не пытаться вносить в его схему какие либо изменения которые с большой долей вероятности могут нарушить его работу, или совсем выведут его из строя.

Рассмотрим некоторые варианты технических решений которые мы можем использовать.

1.

Амплитудное значение напряжения на выходной обмотке трансформатора превышает выходное напряжение ,как правило, почти в два раза. Оно не стабилизировано и меньше напряжения сети переменного тока в К раз, где К коэффициент трансформации. Для 12ти вольтовой обмотки оно может достигать 20-30 вольт. Получить это напряжение на выходе можно очень просто - для этого потребуется один диод и конденсатор. См рис.2

Достоинство этого решения : -минимальное количество дополнительных деталей

Недостатки -напряжение на выходе трансформатора не синусоидальное, скорость нарастания импульса высокая.Поэтому токи заряда конденсатора протекающие через него и через диоды будут импульсные и будут значительно больше величины среднего тока на этом выходе БП. Эти токи зависят от величины емкости конденсатора и его внутреннего омического и индуктивного сопротивления. В результате на этом выходе не удастся получить,при некотором небольшом уровне пульсаций, выходной ток превышающий несколько сотен миллиампер во избежание выхода из строя выпрямительных диодов.

Причем надо учесть что импульсные токи ключевых транзисторов тоже вырастут весьма заметно;

-напряжение не стабилизировано и зависит от напряжения питающей сети. При увеличении общей нагрузки увеличиваются пульсации с частотой 100 (50х2)Гц так как увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения на основных конденсаторах БП;

-увеличить мощность,уменьшить токи можно добавив дроссель перед выходной емкостью, но это уменьшит выходное напряжение и увеличит его зависимость от нагрузки.

2.

см.рис.3

Для получения выходных напряжений большой и очень большой величины(до нескольких тысяч вольт) можно использовать дополнительный повышающий трансформатор и двухполупериодную схему выпрямления с диодным мостом или со средней точкой выходной обмотки. К сожалению дополнительный трансформатор, диодный мост, конденсаторы фильтра трудно разместить внутри корпуса блока питания. Если же собрать схему в дополнительном корпусе то для подключения ее основному блоку потребуется всего одна пара проводов.

Отсутствие необходимости укладываться в маленькие габариты даст возможность использовать очень простой дополнительный трансформатор с большими индуктивностями рассеяния и маленькой связью между обмотками, что позволит отказаться от дросселя фильтра. Дополнительным бонусом имеем возможность получения большого количества выходов на разные напряжения и гальваническую развязку между ними и остальной схемой.Достоинства и недостатки этого решения те же что и у первого варианта.

3.

Для получения стабилизированного напряжения в районе 40 -60 вольт и большим током нагрузки можно использовать схему с дополнительным трансформатором или схему с умножением напряжения.

Рассмотрим схему с умножением напряжения как более просто реализуемую.см.рис.4 .Два дополнительных конденсатора и четыре диода удается разместить внутри корпуса блока питания.Дроссель представляет из себя дополнительную обмотку 10-15 витков провода которую доматывают на ферритовое кольцо с обмотками имеющихся дросселей.

Обычно намотать эту обмотку удается без выпаивания выводов обмоток этого кольца. Диаметр провода этой обмотки можно взять несколько меньше общепринятого так как она будет расположена поверх остальных и будет активно охлаждатьсяю.Если использовать провод в эмалевой изоляции не представляется возможным то следует применить более гибкий провод в неплавящейся изоляции, например типа МГТФ.Дополнительную обмотку нужно подключать к схеме с соблюдением правильного порядка начала и конца намотки .Для этого надо просто посмотреть как подключена обмотка дросселя например 5 вольт. Она может состоять из нескольких парралельных проводов и более заметна. Количество витков дополнительной обмотки определяет степень и характер стабилизации выходного напряжения, а так же величину пульсаций с частотой 100 (50х2)Гц и в идеале должно быть равно количеству витков дросселя на выходе 12 вольт. Изменяя место подключения диодов умножителя можнос ступенчато увеличивать величину выходного напряжения на 5,12,20 вольт.

Именно это решение было реализовано для питания напряжением 48-60вольт коммутаторов компьютерных сетей.Максимальный потребляемый ток 1 ампер. Для доработки использован Switching power supply JNC model 235ATX См рис. Другие выходы БП не задействовались. Амплитуда пульсаций 100Гц при токе нагрузки 1А составила 1,5В.

К сожалению, в отличие от схемы с дополнительным трансформатором, в схеме с умножением напряжения остается проблема больших имульсных токов заряда дополнительных конденсаторов , что влияет на выбор их типа и емкости. В какой то степени с этой проблемой можно справиться если в провод подключенный к общей точке диодов Д1 и Д2 включить дроссель .Но поскольку наличие этой детали снижает выходное напряжение и увеличивает выходное сопротивление этого выхода БП, мы ,нашем случае, от этой детали отказались.

4.

Для получения выходной мощности близкой к максимальной и получения приемлемых параметров надежности и стабилизации выходного напряжения потребуется использование внешнего дополнительного трансформатора и "дроссельного трансформатора.

Схема при этом упрощается, поскольку она просто повторяет имеющуюся.В этом случае потребуется только 4 точки (две пары)для подключения внешнего блока к имеющейся схеме. Для получения напряжений

10В 20А (5+5),

17В 8А (12+5),

24В 8А (12+12) см. рис.5

в качестве элементов схемы можно использовать трансформатор, выпрямительные диоды на радиаторе и ферритовое кольцо для "дроссельного трансформатора"(без переделки) из ненужного БП. В этом случае необходимо учесть максимальную мощность (с учетом дополнительной нагрузки) которую можно снять с БП без перегрузки ключевых транзисторов и предусмотреть принудительное охлаждение радиатора дополнительных диодов.

Для получения других напряжений можно использовать тот же трансформатор с перемотанной выходной обмоткой или применить другой ,например кольцевой, магнитопровод."Дроссельный трансформатор" тоже придется перематывать.

Этот вариант решения, за отсутствием необходимости, не применялся и не макетировался. При попытке его реализации следует,скорее всего, в дроссельном трансформаторе оставить число витков одной из обмоток такое же как было в 5В дросселе а число витков второй обмотки должно быть больше во столько раз во сколько требуемое выходное напряжение превышает 5В. Выбор выпрямительных диодов так же будет определятся этим напряжением и током нагрузки

На этом, видимо, исчерпываются варианты простой доработки компьютерных БП ATX, XT без вмешательства в исходную схему и режимы ее работы.

Proudly powered by Pelican, which takes great advantage of Python.

The theme is by Smashing Magazine, thanks!

Преобразователь 12V-220V на трансформаторе от компьютерного блока питания

Схемы источников питания

материалы в категории

Такой преобразователь напряжения очень может пригодится в походных условиях если требуется получить напряжение 220 Вольт 
(Их еще иногда называют конвертер напряжения)

Схем преобразователей в интернете много, но у всех у них есть одна общая проблема- необходимость изготовления повышающего трансформатора и это отталкивает очень многих радиолюбителей сборки таких устройств.

Схема преобразователя напряжения 12-220 Вольт, которая представлена ниже лишена этой проблемы. Трансформатор, конечно-же здесь тоже имеется, но было принято решение применить уже готовый транс- из устаревшего компьютерного блока питания at-200

Большинство подобных  блоков питания   собирались по двухтактной схеме на двух транзисторах  MJE13005...MJE13007  или подобных,  которые через  небольшой  разделительный трансформатор запускались от задающего генератора на микросхемеTL494.   Выход преобразователя через конденсатор 1 мкФ подключался к первичной обмотке выходного трансформатора.  Проблема была в том, что  коэффициент трансформации  оказался  недостаточным, чтобы на выходе самодельного конвертера получить  достаточное для  запуска  энергосберегающих ламп напряжение.    Наиболее простым оказалось решение использовать  доступную микросхему для построения преобразователей напряжения - VD2, VD7, подключенных к "12В"  отводам трансформатора.

  Выход схемы вольтодобавки подключен  к "минусу"  диодного моста  на VD3 ... VD6,   что   позволило получить на нагрузке напряжение 190 .... 220В,  достаточное  для  нормального  запуска  и свечения  люминесцентных ламп, питания адаптеров ноутбука, сотового телефона или небольшого стационарного телевизора.

Использование силовых  полевых транзисторов  (MOSFET)  накладывает ограничение  на  минимальную величину  запускающих импульсов - при снижении амплитуды импульсов ниже 10В  сильно возрастает сопротивление открытого канала транзисторов,  увеличивается их нагрев,  снижается КПД  и максимальная мощность в нагрузке.  Для исключения   увеличения потерь преобразователя при разряде аккумулятора  в схеме  применён узел "вольтодобавки" для питания микросхемы.  
При подаче питания  напряжение  на микросхему поступает через диодVD1,  а  после начала генерации  -  с  "вольтодобавки"  на диодах VD2, VD7,  через резистор R3, номинал которого подбирается в пределах 470 Ом . .. 1,5 кОм, с расчётом, чтобы при  нормальной работе напряжение питания микросхемы составляло около 20В. 
При этом,  даже при глубоко разряженном аккумуляторе,  напряжение питания микросхемы составляет не менее 15В, что  полностью открывает каналы полевых транзисторов.  Потери становятся настолько низки,  что даже при нагрузке преобразователя до 40Вт  для полевых транзисторов  можно  не использовать  радиаторы.  При использовании  небольшого радиатора  (пластина из алюминия  92*30*1,5 мм) мощность  преобразователя  достигает 100 ... 200 Вт  и полностью зависит от выбора импульсного трансформатора и  выходных полевых транзисторов.

  В схеме  можно использовать  любые доступные  MOSFET  транзисторы с   низким сопротивлением открытого канала. Чем меньше RDC(on), тем лучше.  Хорошо подходят транзисторы IRFZ24N, IRFZ34N,  IRFZ44N, IRFZ46N,  IRFZ48N, 2SK2985  и т.д.   
 Диоды VD2 ... VD7  должны быть  рассчитаны на рабочую частоту 100 кГц,  рабочее напряжение не менее 400В  и ток 1 . .. 3А,  в качестве которых  хорошо подходят  доступные  FR204...FR207,  HER204 ... HER207, FR154 ... 157,  1N4936 ... 1N4937,  BYT52G, BYT53G, FR304 ... FR307  и т.д.  Можно использовать распространённые отечественные  диоды КД226В ... КД226Д.   
Допустимый разброс ёмкости электролитических конденсаторов достаточно велик,  так ёмкость конденсатора С3 может быть от 1000 мкФ  и выше, на напряжение от 16В.   Ёмкость С5  может быть от  4,7 мкФ  и напряжение от  300В.  Конденсатор С1  служит для "мягкого" пуска преобразователя и в большинстве случаев может не устанавливаться, т.к. он создаёт задержку включения преобразователя, что не всегда желательно. Рабочая частота  генератора  определяется  номиналами резистора R2  и  конденсатора C2.  При сопротивлении резистора R2 = 5,1K  ёмкость конденсатора  может быть от 1000 до 3300 пФ.  Оптимальная частота для  конкретного импульсного трансформатора подбирается  из  условия получения максимального напряжения на номинальной нагрузке. На время настройки резистор R2 можно заменить подстроечным, а  после заменить постоянным.

Для контроля разряда аккумуляторной батареи до 11,8 В  конвертер можно дополнить  узлом  индикации  нормального напряжения,  в основе которого лежит использование  широко распространённой микросхемы TL431A.

Этот прецизионный регулятор, иногда называемый управляемым стабилитроном,  часто применяется в блоках питания  телевизоров и мониторов  для  регулирования выходного напряжения  посредством оптрона,  подключенному  к  драйверу   БП.   Микросхема содержит 3 вывода: анод, катод  и управляющий электрод REF.  При напряжении  на  входе REF  ниже 2,50 В  проводимость  между  анодом и катодом  при  обратной полярности напряжения низка.  При незначительном повышении напряжения свыше 2,50 В проводимость резко возрастает, что приводит к зажиганию светодиода.   Для индикации нормального напряжения свыше 11,8 В  необходимо точно подобрать делитель R1/R2. Соотношение  резисторов  должно быть равно  3,72,  т. е. если R2= 10K,   то R1  должно быть равно 37,2 К.  Для точной регулировки порога последовательно с одним из резисторов можно включить подстроечный резистор.  При использовании  не свинцовых аккумуляторов  пороговое напряжение  может быть иным. В этом случае произвольно задаётся номинал одного из  резисторов, например R2,  а R1  находится по формуле:  R1= R2 * (Uпор -2,5) / 2,5.

Резистор R3  предназначен для исключения подсветки светодиода   за счёт  протекания  небольшого тока между анодом  и катодом   микросхемы  при напряжении на выводе REF ниже 2,50 В.  Устройство подключают отдельными проводами прямо на клеммы аккумулятора. 

Внешний вид и печатная плата устройства выглядят вот так:

Устройство собрано на небольшой печатной плате размером  около 93 х  38 мм (в авторском варианте используется трансформатор  от БП at-200).
При использовании  иных элементов печатную плату придётся немного подкорректировать.    Разрядный резистор R4  подключается непосредственно к выходной розетке. Его сопротивление может быть любым от 200кОм  до 4,7мОм, а допустимое рабочее напряжение должно быть не менее 300В.

 

Автор Кравцов В.Н. http://kravitnik.narod.ru/

Обсудить на форуме

 

cxema.org - Переделка электронного трансформатора

Электронный трансформатор - сетевой импульсный блок питания, который предназначен для питания галогенных ламп 12 Вольт. Подробнее о данном устройстве в статье «Электронный трансформатор (ознакомление)». Устройство имеет достаточно простую схему. Простой двухтактный автогенератор, который выполнен по полумостовой схеме, рабочая частота порядка 30кГц, но этот показатель сильно зависит от выходной нагрузки. Схема такого блока питания очень не стабильна, не имеет никаких защит от КЗ на выходе трансформатора, пожалуй именно из-за этого, схема пока не нашла широкого применения в радиолюбительских кругах. Хотя в последнее время на разных форумах наблюдается продвижение данной темы. Люди предлагают различные варианты доработки таких трансформаторов. Я сегодня попытаюсь все эти доработки совместить в одной статье и предложить варианты не только доработки, но и умощнения ЭТ.

В основу работы схемы углубляться не будем, а сразу приступим к делу. Мы попытаемся доработать и увеличить мощность китайского ЭТ Taschibra на 105 Ватт.

Для начала хочу пояснить, по какой причине я решил взяться за умощнение и переделку таких трансформаторов. Дело в том, что недавно сосед попросил сделать ему на заказ зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, который был бы компактным и легким. Собирать не хотелось, но позже я наткнулся на интересные статьи в которых рассматривалась переделка электронного трансформатора. Это натолкнуло на мысль - почему бы не попробовать?

Таким образом, были приобретены несколько ЭТ от 50 до 150 Ватт, но опыты с переделкой не всегда завершались успешно, из всех выжил только ЭТ на 105 Ватт. Недостатком такого блока является то, что трансформатор у него не кольцевой, в связи с чем неудобно отмотать или домотать витки. Но другого выбора не было и пришлось переделать именно этот блок.

Как нам известно, эти блоки не включаются без нагрузки, это не всегда является достоинством. Я планирую получить надежное устройство, которое можно свободно применять в любых целях, не боясь, что блок питания может перегореть или выйти из строя при КЗ.

Доработка №1


Суть идеи заключается в добавлении защиты от КЗ, также устранения вышеуказанного недостатка (активация схемы без выходной нагрузки или с маломощной нагрузкой).

Глядя на сам блок, мы можем увидеть простейшую схему ИБП, я бы сказал, что схема не до конца отработана производителем. Как мы знаем, если замкнуть вторичную обмотку трансформатора, то меньше, чем за секунду схема выйдет из строя. Ток в схеме резко возрастает, ключи в миг выходят из строя, иногда и базовые ограничители. Таким образом, ремонт схемы обойдется дороже стоимости (цена такого ЭТ порядка 2,5$).

Трансформатор обратной связи состоит из трех отдельных обмоток. Две из этих обмоток питают базовые цепи ключей.

Для начала удаляем обмотку связи на трансформаторе ОС и ставим перемычку. Эта обмотка включена последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора. Затем на силовом трансформаторе мотаем всего 2 витка и один виток на кольце (трансформаторе ОС). Для намотки можно использовать провод с диаметром 0,4-0,8мм.

Далее нужно подобрать резистор для ОС, в моем случае он на 6,2 ОМ, но резистор можно подобрать с сопротивлением 3-12 Ом, чем выше сопротивление этого резистора, тем меньше ток защиты от КЗ. Резистор в моем случае использован проволочный, чего делать не советую. Мощность этого резистора подбираем 3-5 ватт (можно использовать от 1 до 10 ватт).

Во время КЗ на выходной обмотке импульсного трансформатора ток во вторичной обмотке падает (в стандартных схемах ЭТ при КЗ ток возрастает, выводя из строя ключи). Это приводит к уменьшению тока на обмотке ОС. Таким образом, прекращается генерация, сами ключи запираются.

Единственным недостатком такого решение является то, что при долговременном КЗ на выходе, схема выходит из строя, поскольку ключи греются и достаточно сильно. Не стоит подвергать выходную обмотку КЗ с длительностью более 5-8 секунд.

Схема теперь будет заводиться без нагрузки, одним словом мы получили полноценный ИБП с защитой от КЗ.

Доработка №2


Теперь постараемся, в какой-то мере сгладить сетевое напряжение от выпрямителя. Для этого будем использовать дроссели и сглаживающий конденсатор. В моем случае использован готовый дроссель с двумя независимыми обмотками. Данный дроссель был снят от ИБП DVD проигрывателя, хотя можно использовать и самодельные дросселя.

После моста следует подключить электролит с емкостью 200мкФ с напряжением не менее 400 Вольт. Емкость конденсатора подбирается исходя из мощности блока питания 1мкФ на 1 ватт мощности. Но как вы помните, наш БП рассчитан на 105 Ватт, почему же конденсатор использован на 200мкФ? Это поймете уже совсем скоро.

Доработка №3


Теперь о главном - умощнение электронного трансформатора и реально ли это? На самом деле есть только один надежный способ умощнения без особых переделок.

Для умощнения удобно использовать ЭТ с кольцевым трансформатором, поскольку нужно будет перемотать вторичную обмотку, именно по этой причине мы заменим наш трансформатор.

Сетевая обмотка растянута по всему кольцу и содержит 90 витков провода 0,5-0,65мм. Обмотка мотается на двух сложенных ферритовых кольцах, которые были сняты от ЭТ с мощностью 150 Ватт. Вторичная обмотка мотается исходя от нужд, в нашем случае она рассчитана на 12 Вольт.

Планируется увеличить мощность до 200 Ватт. Именно поэтому и нужен был электролит с запасом, о котором говорилось выше.

Конденсаторы полумоста заменяем на 0,5мкФ, в штатной схеме они имеют емкость 0,22 мкФ. Биполярные ключи MJE13007 заменяем на MJE13009.

Силовая обмотка трансформатора содержит 8 витков, намотка делалась 5-ю жилами провода 0,7мм, таким образом, имеем в первичке провод с общим сечением 3,5мм.

Идем дальше. Перед и после дросселей ставим пленочные конденсаторы с емкостью 0,22-0,47мкФ с напряжением не менее 400 Вольт (я использовал именно те конденсаторы, которые были на плате ЭТ и которые пришлось заменить для увеличения мощности).

Далее заменяем диодный выпрямитель. В стандартных схемах применяются обычные выпрямительные диоды серии 1N4007. Ток диодов составляет 1 Ампер, наша схема потребляет немало тока, поэтому диоды стоит заменить на более мощные, во избежание неприятных результатов после первого включения схемы. Можно использовать буквально любые выпрямительные диоды с током 1,5-2 Ампер, обратное напряжение не менее 400 Вольт.

Все компоненты, кроме платы с генератором смонтированы на макетной плате. Ключи были укреплены на теплоотвод через изоляционные прокладки.

Продолжаем нашу переделку электронного трансформатора, дополнив схему выпрямителем и фильтром.

Дросселя намотаны на кольцах из порошкового железа (сняты от компьютерного БП), состоят из 5-8 витков. Намотку удобно сделать сразу 5-ю жилами провода с диаметром 0,4-0,6мм каждая жила.

Сглаживающий конденсатор подбираем с напряжением 25-35 Вольт, в качестве выпрямителя применен один мощный диод шоттки (диодные сборки из компьютерного блока питания). Можно использовать любые быстрые диоды с током 15-20 Ампер.

АКА КАСЬЯН

Как перемотать трансформатор от компьютерного блока питания

Трансформатор представляет собой преобразователь переменного напряжения или же гальванической развязки. Благодаря устройству исходное напряжение преобразуется в конечное, которое требуется для работы конкретного электроприбора. Ведь для каждого электрического прибора требуется определенное напряжение. К примеру, если оно большое, прибор может сгореть, а низкое, то он не сможет работать. В каких случаях требуется перемотка конкретного импульсного трансформатора, и для чего она нужна?

Как правильно разобрать

Несмотря на то, что с виду трансформатор кажется сложным устройством, его разборка достаточно проста в исполнении. Главная задача в данном случае, это удаление поверхностной оболочки, состоящей из ферритового магнитопровода.

Для этого требуется подогреть феррит до 300 С и расшатывая имеющиеся половинки вытянуть их из каркаса. Делать это нужно быстро, чтобы размягченный клей не успел застыть. Такую процедуру нужно производить обязательно в перчатках. Далее потребуется:

  • откусить кусачками прикрепленные медные обмотки;
  • размотать проволоку до самого основания;
  • устранить на каркасе оставшиеся кусочки обмотки.

Всего несколько шагов и каркас трансформатора полностью очищен. Главная сложность заключается в разогреве ферритовой оболочки. Но в данном случае можно воспользоваться несколькими советами. Например, использовать строительный фен, паяльную станцию или же подогреть на сковородке.

Определение назначения перемотки

В случае, когда причиной поломки, к примеру, компьютерного оборудования стал выход из строя трансформатор, то можно произвести его перемотку, а не покупать новый компьютер. Основанием для осуществления перемотки могут быть:

  • имеющееся число витков не соответствует установленным нормам;
  • при осуществлении монтажа были допущены ошибки;
  • в ходе эксплуатации нарушались обозначенные правила;
  • допущены дефекты непосредственно при заводском изготовлении оборудования.

Чтобы проверить работу трансформатора, следует разобрать блок питания и осмотреть устройство, нет ли на нем видимых повреждений.

Если таковых нет, то стоит проверить первичную и вторичную обмотку.

Методика и пример расчета

Одним из простых способов произвести расчет относительно намотки проводки на импульсный трансформатор считается использование специальных программ. Благодаря чему, можно выяснить сколько витков нужно будет сделать, и какие материалы лучше для этого использовать. К примеру, можно привести такой расчет:

  1. Если за основу брать частоту преобразования 50кГц, это в том случае, когда трансформатор будет переделываться для БП ПК, то в программе нужно отметить показатели в значении 30кГц.
  2. Затем требуется обозначить габариты, и соответственно параметры сердечника.

Согласно данным программы, то получается число витков должно составить 38 для первой обмотки. Что касается второй обмотки, то число витков составит 10+10 двумя жилами обозначенного провода. Также следует сказать, что в случае, если основа трансформатора небольшая и число витков не помещается в один слой, то можно сделать наматывание провода в два слоя, но по одинаковому количеству витков. В непременном порядке их нужно будет изолировать от вторичной намотки.

Не менее важным параметром считается то, что нужно учитывать количество наматываемого провода. То есть, когда наматывается второй слой, количество провода увеличивается, поэтому не стоит откусывать указанный в расчете метраж.

Как правильно мотать

Перед тем, как начать мотать трансформатор следует помнить, что эта работа кропотливая, если работа будет производиться вручную. Все дело в том, что витки должны плотно прилегать друг другу. Наилучшим вариантом будет использование при помощи примитивного прибора, который можно сделать самостоятельно. Также нужно сказать, что наматывать провод нужно исключительно на основе расчетов. То есть, точное количество витков непосредственно в одном слое.

Каждый слой должен быть отделен от следующего ряда витков специальной изоляционной лентой. Если таковой нет, то можно использовать тонкую, но плотную бумагу.

К примеру, можно использовать кальку. Зачастую обмотка составляет три слоя, и каждый из них должен быть изолирован друг от друга. По окончанию процесса намотки выводы проводки нужно качественно припаять.

Важно знать! Используемый изоляционный материал должен быть не только плотным, но важно чтобы он не имел повреждений. Обусловлено это тем, чтобы исключить вероятность замыкания.

Выбор сердечника

Что касается выбора сердечника, то с целью экономии можно использовать старый. Если требуется использовать новый, то он должен быть изготовлен из соответствующего материала. К примеру, для персонального компьютера подойдут сердечники на основе аморфных магнитных сплавов.

Намотка первичной обмотки

Изначально нужно подготовить все соответствующие материалы. Это каркас трансформатора, провод требуемого диаметра и изоляционный материал. Начинать обмотку следует с самого края сердцевины, желательно наматывание осуществлять по часовой стрелке. Витки должны быть ровными и плотно прилегающими друг к другу. Не должно быть никаких зазоров. Не стоит забывать производить соответственную изоляцию между слоями.

Намотка вторичной обмотки

Вторичная намотка осуществляется по тому же принципу, что и первичная. По окончанию намотки непременно нужно оставить хвостик провода, который необходимо заизолировать. После требуется припаять его к соответствующим контактам.

Важно знать! Витки первого слоя требуется отделять между собой одним слоем изоляционного материала, который промазывается клеем.

Между первичным и вторичным слоем намотки следует сделать изолирование не менее чем из 4-5 слоев. Таким образом можно избежать пробоев и соответственно короткого замыкания в переделанном трансформаторе.

Завершение и проверка

После того, как была выполнена намотка провода и проведены изоляционные работы в непременном порядке нужно произвести проверку. Важно это сделать до того, как начнет засыхать клей. Данная процедура проводится для проверки собранного трансформатора.

  1. Одним из способов считается использование омметра. Обозначенным прибором можно установить целостность проводника, проверка осуществляется между выводами одной обмотки. Нужно напомнить о мерах безопасности, то есть произвести отключение всех концов импульсного трансформатора.
  2. Чтобы выполнить проверку на вероятность межвиткового замыкания, то следует использовать вольтметр. В данном случае трансформатор должен быть подключен к напряжению. В случае, если слышно потрескивание или устройство искриться, то нужно срочно отключить его.

Также проверку можно производить амперметром. Замеры требуется осуществлять в первичной и вторичной обмотках. Значения должны показывать не меньше номинального.

Советы и рекомендации

Перед тем, как производить перемотку импульсного трансформатора нужно учесть некоторые нюансы. Главными из них считаются:

  1. Если трансформатор издает гул, то это не является причиной неисправности. В некоторых специфических устройствах, это считается нормальным.
  2. В случае возникновения искр или треска, то это явная неисправность.
  3. Работа обмоток может изменяться не из-за наличия неисправностей, а при банальной загрязненности устройства. Исправить это можно зачисткой контактов.

В качестве рекомендации нужно сказать, что запрещается подсоединять к обмоткам постоянное напряжение, поскольку используемый провод для обмотки просто оплавится. Важно перед началом перемотки произвести соответствующие замеры, которые позволят выполнить работу качественно. Научиться этому достаточно просто, но нужно быть аккуратным и выполнять все обозначенные рекомендации.

Перед тем как начать перемотку трансформатора, его нужно разобрать. О простом методе разборки импульсного трансформатора из блока питания ПК можно прочитать тут.

Итак, разобрали трансформатор. Далее нужно нам разобраться для чего или подо что мы будем перематывать импульсный трансформатор.

Можно перемотать трансформатор для самого блока питания ПК, делается это для того, чтобы повысить выходное напряжение, при переделке БП ПК в регулируемый. В данном случае можно первичную обмотку оставить родной. Чаще всего, первичная обмотка импульсных трансформаторов из БП ПК разделена на две части. То есть, сначала мотается половина первичной обмотки, потом мотаются вторичные обмотки и сверху мотается вторая половина первичной обмотки. Так же, первичные полуобмотки могут иметь экран, в виде медной фольги.

Так вот, разматывая родные вторичные обмотки, можно посчитать количество витков, далее перемотать вторичную обмотку уже на несколько витков больше и восстановить верхнюю половину первичной обмотки. Тем самым мы сэкономим лакированный провод.

Лично я при переделке блоков питания ПК в регулируемый перематываю первичную и вторичную обмотки с нуля, пересчитывая их в программе Lite-CalcIT. При новом расчете следует учесть тот факт, что частота ШИМ у блоков питания ПК 30-36 кГц.

Приведу пример расчета и намотки импульсного трансформатора на сердечнике от БП ПК.

Скачиваем и запускаем программу Lite-CalcIT. Вбиваем нужные нам напряжения и диаметры обмоточных проводов. Также указываем схему преобразования и схему выпрямления. Частота преобразования в моем случае 50 кГц, если трансформатор рассчитывается для переделки БП ПК в регулируемый, то следует указать частоту преобразования 30 кГц, иначе из-за малого количества витков, сердечник войдет в насыщение и по первичной обмотке начнет протекать очень большой ток холостого хода.

Вторичных обмотки будет две, с отводом от середины. Номинальное напряжение указывается для одной обмотки. В моем расчете номинальное напряжение стоит 32 Вольта, это значит, что после выпрямления, относительно среднего вывода мы получим +32 Вольта и -32 Вольта. Так как я рассчитываю трансформатор под импульсный источник питания УНЧ, то мне нужно двухполярное питание +-32 Вольта, соответственно схема выпрямления указана двухполярной, со средней точкой.

Если рассчитывать трансформатор под переделку БП ПК, то ничего в программе менять не нужно, за исключением частоты (30 кГц), то есть будем иметь также две вторичных обмотки. Единственное, что изменится, это схема выпрямления, она будет однополярная со средней точкой.

Далее указываем габариты и другие параметры сердечника, добытого из БП ПК.

Ничего в расчете сложного нет. В ходе него я получил следующие параметры:

— Число витков первичной обмотки 38;

-Число витков вторичной обмотки 10+10 двумя жилами указанного провода.

Начинаем мотать транс.

38 Витков первичной обмотки в один слой не влезут на мой каркас, поэтому мотать буду в два слоя по 18 витков.

Подпаиваем к контакту провод и мотаем 18 витков, один к другому. Если смотреть на каркас сверху, то мотаю по часовой стрелке все обмотки.

Далее кладу слой изоляции. Изоляцию использую, какая есть, либо лавсановая пленка из ненужных обрезков витой пары, либо скотч.

После чего, не меняя направления, мотаем к основанию каркаса еще 18 витков, один к другому. Припаиваем контакт.

Кладем изоляцию. Все, первичка готова.

Пример намотки первичной обмотки на частоту 30 кГц.

По расчетам я получил количество витков первичной обмотки, равное 48. В первый слой я положил 35 витков.

Далее слой изоляции и остальные 13 витков, равномерно расположенных по всей длине каркаса.

Изолируем первичную обмотку от вторичной.

P.S. Если в один слой не влезает расчетное количество витков, то можно разделить на две равные половины, или мотать в один слой такое количество витков, которое влезет на всю длину каркаса. Остальное количество витков, которое не влезло, распределяем равномерно по всей длине каркаса сердечника.

Мотаем вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Подпаиваем два провода к выводу нашего транса от БП ПК.

Мотаем в ту же сторону, что и первичную обмотку (в моем случае по часовой стрелке), 10 витков.

Оставляем хвост и изолируем.

Далее подпаиваем еще два провода к другим контактам.

Мотаем еще 10 витков, но уже в противоположную сторону предыдущей обмотки.

Теперь давайте разберемся, если нам отвод от середины не был бы нужен, то мы мотали бы от основания до верха по часовой стрелке 10 витков, потом слой изоляции, и далее в том же направлении еще 10 витков до основания каркаса.

В принципе можно и с отводом от середины так мотать, кому как удобней короче.

P.S. Обмотки должны быть намотаны, как можно симметрично и равномерно распределены по каркасу. Если полуобмотки получаться несимметричными, то будет разное напряжение в плечах.

Едем дальше. Опять изолируем вторичку, хотя крайнюю обмотку можно не изолировать, так лучше проходит охлаждение трансформатора.

Косу, которая получилась, перед скручиванием необходимо зачистить от лака. Далее скрутить и залудить. При желании можно надеть термоусадку.

Похожие статьи

Опа, и ещё одна классная и полезная статья. Да это не сайт, а кладезь полезной информации. Жаль, что нет возможности подписаться на новые материалы

Gregori69, С Вами полностью согласен.Все просто и доступно. Так держать.

Спасибо за статью, очень мне приходилась. Возник вопрос:
Как узнать материал и магнитную проницаемость магнитопровода? Уже сколько трансов перевернул, ничего не нашёл. Может поделитесь опытом?

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Перед тем как начать перемотку трансформатора, его нужно разобрать. О простом методе разборки импульсного трансформатора из блока питания ПК можно прочитать тут.

Итак, разобрали трансформатор. Далее нужно нам разобраться для чего или подо что мы будем перематывать импульсный трансформатор.

Можно перемотать трансформатор для самого блока питания ПК, делается это для того, чтобы повысить выходное напряжение, при переделке БП ПК в регулируемый. В данном случае можно первичную обмотку оставить родной. Чаще всего, первичная обмотка импульсных трансформаторов из БП ПК разделена на две части. То есть, сначала мотается половина первичной обмотки, потом мотаются вторичные обмотки и сверху мотается вторая половина первичной обмотки. Так же, первичные полуобмотки могут иметь экран, в виде медной фольги.

Так вот, разматывая родные вторичные обмотки, можно посчитать количество витков, далее перемотать вторичную обмотку уже на несколько витков больше и восстановить верхнюю половину первичной обмотки. Тем самым мы сэкономим лакированный провод.

Лично я при переделке блоков питания ПК в регулируемый перематываю первичную и вторичную обмотки с нуля, пересчитывая их в программе Lite-CalcIT. При новом расчете следует учесть тот факт, что частота ШИМ у блоков питания ПК 30-36 кГц.

Приведу пример расчета и намотки импульсного трансформатора на сердечнике от БП ПК.

Скачиваем и запускаем программу Lite-CalcIT. Вбиваем нужные нам напряжения и диаметры обмоточных проводов. Также указываем схему преобразования и схему выпрямления. Частота преобразования в моем случае 50 кГц, если трансформатор рассчитывается для переделки БП ПК в регулируемый, то следует указать частоту преобразования 30 кГц, иначе из-за малого количества витков, сердечник войдет в насыщение и по первичной обмотке начнет протекать очень большой ток холостого хода.

Вторичных обмотки будет две, с отводом от середины. Номинальное напряжение указывается для одной обмотки. В моем расчете номинальное напряжение стоит 32 Вольта, это значит, что после выпрямления, относительно среднего вывода мы получим +32 Вольта и -32 Вольта. Так как я рассчитываю трансформатор под импульсный источник питания УНЧ, то мне нужно двухполярное питание +-32 Вольта, соответственно схема выпрямления указана двухполярной, со средней точкой.

Если рассчитывать трансформатор под переделку БП ПК, то ничего в программе менять не нужно, за исключением частоты (30 кГц), то есть будем иметь также две вторичных обмотки. Единственное, что изменится, это схема выпрямления, она будет однополярная со средней точкой.

Далее указываем габариты и другие параметры сердечника, добытого из БП ПК.

Ничего в расчете сложного нет. В ходе него я получил следующие параметры:

— Число витков первичной обмотки 38;

-Число витков вторичной обмотки 10+10 двумя жилами указанного провода.

Начинаем мотать транс.

38 Витков первичной обмотки в один слой не влезут на мой каркас, поэтому мотать буду в два слоя по 18 витков.

Подпаиваем к контакту провод и мотаем 18 витков, один к другому. Если смотреть на каркас сверху, то мотаю по часовой стрелке все обмотки.

Далее кладу слой изоляции. Изоляцию использую, какая есть, либо лавсановая пленка из ненужных обрезков витой пары, либо скотч.

После чего, не меняя направления, мотаем к основанию каркаса еще 18 витков, один к другому. Припаиваем контакт.

Кладем изоляцию. Все, первичка готова.

Пример намотки первичной обмотки на частоту 30 кГц.

По расчетам я получил количество витков первичной обмотки, равное 48. В первый слой я положил 35 витков.

Далее слой изоляции и остальные 13 витков, равномерно расположенных по всей длине каркаса.

Изолируем первичную обмотку от вторичной.

P.S. Если в один слой не влезает расчетное количество витков, то можно разделить на две равные половины, или мотать в один слой такое количество витков, которое влезет на всю длину каркаса. Остальное количество витков, которое не влезло, распределяем равномерно по всей длине каркаса сердечника.

Мотаем вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Подпаиваем два провода к выводу нашего транса от БП ПК.

Мотаем в ту же сторону, что и первичную обмотку (в моем случае по часовой стрелке), 10 витков.

Оставляем хвост и изолируем.

Далее подпаиваем еще два провода к другим контактам.

Мотаем еще 10 витков, но уже в противоположную сторону предыдущей обмотки.

Теперь давайте разберемся, если нам отвод от середины не был бы нужен, то мы мотали бы от основания до верха по часовой стрелке 10 витков, потом слой изоляции, и далее в том же направлении еще 10 витков до основания каркаса.

В принципе можно и с отводом от середины так мотать, кому как удобней короче.

P.S. Обмотки должны быть намотаны, как можно симметрично и равномерно распределены по каркасу. Если полуобмотки получаться несимметричными, то будет разное напряжение в плечах.

Едем дальше. Опять изолируем вторичку, хотя крайнюю обмотку можно не изолировать, так лучше проходит охлаждение трансформатора.

Косу, которая получилась, перед скручиванием необходимо зачистить от лака. Далее скрутить и залудить. При желании можно надеть термоусадку.

Похожие статьи

Опа, и ещё одна классная и полезная статья. Да это не сайт, а кладезь полезной информации. Жаль, что нет возможности подписаться на новые материалы

Gregori69, С Вами полностью согласен. Все просто и доступно. Так держать.

Спасибо за статью, очень мне приходилась. Возник вопрос:
Как узнать материал и магнитную проницаемость магнитопровода? Уже сколько трансов перевернул, ничего не нашёл. Может поделитесь опытом?

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Методика тестирования блоков питания - Статьи

Введение


Вот уже продолжительное время наша лаборатория занимается тестированиями блоков питания стандарта ATX. Методика тестирования все это время непрерывно развивалась и совершенствовалась, преследуя сразу две цели – не только получить возможность объективно сравнивать различные блоки питания, но и делать это достаточно наглядно.

К сожалению, один из основных тестов нашей методики – измерение стабильности напряжений – никак не мог похвастаться наглядностью, ибо в нем практически для каждого блока использовались собственные паттерны нагрузок, что делало невозможным обсуждение и сравнение результатов разных блоков питания без постоянных ссылок на особенности примененных к ним паттернов. Иначе говоря, результаты каждого из блоков тащили за собой ворох условностей и оговорок – разумеется, сравнение в итоге было возможно, иначе бы вообще не было смысла проводить тестирование, однако прямое сравнение цифр или графиков, увы, этими оговорками весьма затруднялось.

Этой статьей я представляю Вам новую методику тестирования блоков питания, пришедшую на смену старому способу измерения стабильности напряжений и дающую крайне наглядный и при этом весьма точный и объективный результат, одинаково хорошо пригодный для сравнения разных блоков питания, как в конкретных цифрах, так и просто "на глаз", по внешнему виду получаемых графиков. За основу взята методика построения так называемых кросс-нагрузочных характеристик блоков питания, разработанная и примененная нашими коллегами из издания ITC Online, однако она была существенно доработана с целью еще большего повышения как информативности, так и наглядности.

Также в статье я более или менее подробно опишу различные аспекты работы компьютерных блоков питания, чтобы читателям, не разбирающимся в схемотехнике импульсных блоков питания, стало понятно, что означают и откуда берутся те или иные измеряемые в ходе тестирования параметры блоков питания. Те же из Вас, кто достаточно хорошо знаком с устройством и работой импульсных источников питания, могут сразу пролистать первые два раздела статьи до описания собственно используемого нами тестового оборудования и методики тестирования.

Линейные и импульсные источники питания


Как известно, электронный источник питания – это устройство, тем или иным способом решающее задачи изменения, управления или стабилизации поступающей в нагрузку электрической мощности.

Наиболее простым и до сих пор крайне широко применяющимся методом управления является поглощение избыточной мощности в управляющем устройстве, то есть банальное рассеивание ее в виде тепла. Источники питания, действующие по такому принципу, называются линейными.


Выше представлена схема подобного источника – линейного стабилизатора напряжения. Напряжение бытовой сети 220В понижается трансформатором T1 до необходимого уровня, после чего выпрямляется диодным мостом D1. Очевидно, что выпрямленное напряжение должно быть в любых условиях выше выходного напряжения стабилизатора – иначе говоря, необходима избыточная мощность; это следует из самого принципа работы линейного стабилизатора. В данном случае эта мощность выделяется в виде тепла на транзисторе Q1, который управляется некоторой схемой U1 так, чтобы выходное напряжение Uout находилось на требуемом уровне.

Такая схема имеет два существенных недостатка. Во-первых, низкая частота переменного тока в питающей сети (50 или 60Гц, в зависимости от страны) обуславливает большие габаритные размеры и массу понижающего трансформатора – трансформатор мощностью 200-300Вт будет весить несколько килограмм (не говоря уж о том, что в линейных стабилизаторах приходится применять трансформаторы на мощность вдвое большую, чем максимальная мощность нагрузки, ибо КПД линейного стабилизатора составляет около 50%, а трансформатор должен быть рассчитан на полную мощность, включая ту, что уйдет в тепло на самом стабилизаторе). Во-вторых, напряжение на выходе трансформатора должно во всех случаях превышать сумму выходного напряжения стабилизатора и минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе; это означает, что в общем случае транзистору придется рассеивать весьма заметную избыточную мощность, что отрицательно скажется на КПД всего устройства.

Для преодоления этих недостатков были разработаны так называемые импульсные стабилизаторы напряжения, в которых управление мощностью происходит без рассеивания мощности в самом устройстве управления. В самом простейшем виде такое устройство можно представить как обычный ключ (роль которого может играть и транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. В такой схеме средний протекающий через нагрузку ток зависит не только от сопротивления нагрузки и напряжения питания, но и от частоты переключению ключа – чем она больше, тем выше ток. Таким образом, меняя частоту переключения, мы можем регулировать средний ток через нагрузку, причем в идеале на самом ключе мощность не будет рассеиваться вообще – так как он пребывает только в двух состояниях: либо полностью открытом, либо полностью закрытым. В первом случае падение напряжения на нем равно нулю, во втором случае – нулю равен протекающий через него ток, а потом выделяемая на нем мощность, равная произведению тока на напряжение, также всегда равна нулю. В реальности, конечно, все немного иначе – в случае использования в качестве ключа транзисторов, во-первых, даже в открытом состоянии на них падает небольшое напряжение, во-вторых, процесс переключения происходит не мгновенно. Однако эти потери – следствие побочных явлений, и они намного меньше, чем выделяемая на устройстве управления линейного стабилизатора избыточная мощность.

Если сравнивать цифры, то КПД типичного линейного стабилизатора составляет 25...50%, в то время как КПД импульсного может превышать 90%.

Кроме того, если в импульсном стабилизаторе поставить ключ до понижающего трансформатора (очевидно, что, в общем-то, все равно, регулировать входное или выходное напряжение трансформатора – они неразрывно связаны друг с другом), то мы получаем возможность определять частоту работы трансформатора вне зависимости от частоты питающей сети. А так как габариты трансформатора уменьшаются с увеличением его рабочей частоты, то это позволяет использовать в импульсных стабилизаторах понижающие трансформаторы буквально игрушечных размеров по сравнению с их линейными аналогами, что дает колоссальный выигрыш в размерах готового устройства. Для примера, трансформатор на частоту 50Гц и мощность 100Вт весит чуть более двух килограмм, в то время как трансформатор на ту же мощность, но на частоту 35кГц весит всего лишь около 35 грамм. Это, разумеется, радикально влияет на габариты и массу всего источника питания - если посчитать отношение выходной мощности источника к его объему, то для импульсного источника питания, работающего на частоте в несколько десятков килогерц, оно составит примерно 4-5 Вт/куб. дюйм, в то время как для линейного стабилизатора этот показатель составляет всего лишь 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Более того, с повышением частоты плотность мощности импульсного источника питания может доходить до 75 Вт/куб. дюйм, что совершенно недостижимо для линейных источников даже при водяном охлаждении (цифры даны по книге Ирвинга М. Готтлиба "Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы").

Кроме того, при таком исполнении импульсный стабилизатор значительно меньше зависит от величины входного напряжения – ведь чувствителен к этому в первую очередь понижающий трансформатор, а при включении ключа до него мы можем управлять напряжением и частотой его работы так, как надо нам. Соответственно, импульсные стабилизаторы абсолютно без особых проблем переносят уход напряжения питающей сети вплоть до 20% от номинала, в то время как у линейных добиться работы при пониженном напряжении сети можно лишь за счет дальнейшего снижения и без того невысокого КПД.

Помимо трансформатора, использование высокой частоты позволяет сильно (в десятки раз) уменьшить емкость и, соответственно, габариты сглаживающих конденсаторов (C1 и C2 на вышеприведенной схеме). Правда, это палка о двух концах – во-первых, далеко не все электролитические конденсаторы способны нормально работать на такой частоте, во-вторых, несмотря ни на что, в импульсном источнике питания технически весьма затруднительно получить размах пульсаций на выходе ниже 20 мВ, в то время как в линейных при необходимости без особых затрат уровень пульсаций может быть снижен до 5 мВ, и даже ниже.

Очевидно, что работающий на частоте в несколько десятков килогерц преобразователь является источником помех не только в собственную нагрузку, но и в питающую сеть, а также просто в радиоэфир. Поэтому, при проектировании импульсных источников питания необходимо уделять внимание как фильтру на его входе (вопреки распространенному мнению, он не столько защищает блок питания от внешних помех, сколько защищает другие устройства от помех, создаваемых этим блоком питания), так и электромагнитной экранировке самого блока питания, что в случае мощных блоков означает использование стального корпуса. Линейные блоки питания, как я отмечал выше, хоть и более чувствительны к внешним помехам, но сами никаких помех не создают, а потому не требуют никаких особых мер по защите окружающего оборудования.

Кроме того, импульсные источники питания требуют существенно более сложной (и, соответственно, дорогой) электроники, нежели их линейные собратья. Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, где цена в первую очередь определяется стоимостью силового трансформатора и необходимого теплоотвода, а потому линейные источники с их большими габаритами и низким КПД оказываются в заведомом проигрыше; однако по мере удешевления компонентов импульсных блоков питания они все больше и больше теснят и маломощные линейные источники – так, уже не являются редкостью импульсные блоки питания мощностью в единицы ватт (например, зарядные устройства мобильных телефонов), хотя еще несколько лет назад на таких мощностях преимущества линейных источников были очевидны.

Если же говорить о задачах, в которых определяющим параметром являются габариты, то тут импульсные источники питания находятся вне конкуренции – при всех конструкторских ухищрениях, получить от линейного источника ту же плотность мощности, что и от импульсного, просто невозможно.

Блоки питания компьютеров


В настоящее время все используемые в компьютерах источники питания – импульсные. Обусловлено это тем, что для обеспечения разумных габаритов и тепловыделения необходимы плотность мощности и КПД, принципиально недостижимые для линейных блоков питания такой мощности – так, плотность мощности обычного ATX блока питания составляет 2...5 Вт/куб. дюйм (в зависимости от его выходной мощности), а КПД – не менее 68% при работе с максимальной нагрузкой.


Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания. Ниже на примере блока Macropower MP-300AR показано типичное расположение компонентов в реальном блоке питания (в большинстве блоков других моделей никаких существенных отличий не будет):


Питающее напряжение 220В проходит через двух- или трехзвенный фильтр, защищающий другие включенные в сеть устройства от создаваемых блоком питания помех. После фильтра напряжение поступает на выпрямитель D1, а с него – на необязательную (но все чаще встречающуюся в новых блоках) схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction). Подробнее о том, что такое PFC, и зачем он нужен, будет сказано ниже, сейчас мне хотелось бы подробнее остановиться на фильтре, ибо с ним связана пара вопросов, часто задаваемых пользователями.


Выше представлена схема классического двухзвенного фильтра, используемого в большинстве блоков питания. Как известно, помехи бывают двух видов – дифференциальные, когда ток помехи в проводах питания течет в разные стороны, и синфазные, когда ток помехи в проводах течет в одну сторону. Также можно сказать, что дифференциальная помеха – это помеха между двумя проводами питания, а синфазная – между проводами питания и землей.

Дифференциальные помехи в этой схеме достаточно легко подавляются дросселями Ld и конденсатором Cx – при прохождении высокочастотной помехи сопротивление первых для нее велико, а второго – наоборот, мало. Хуже дело обстоит с синфазными помехами – отчасти их гасит дроссель Lc, обмотки которого намотаны так, что дроссель образует большое сопротивление для синфазных помех, однако этого недостаточно, и для действительно эффективного подавления синфазных помех устанавливаются два конденсатора Cy, точка соединения которых подключается к корпусу блока питания – и к заземлению, если таковое присутствует.

Именно с этими конденсаторами и связаны основные вопросы пользователей. Очевидно, если корпус компьютера не заземлен, то благодаря конденсаторам на нем будет присутствовать половина сетевого напряжения, то есть 110В. Взявшись одной рукой за любой заземленный предмет (например, за батарею отопления), а другой – за корпус компьютера, можно почувствовать легкое щекотание током. Впрочем, емкость этих конденсаторов весьма мала, а потому максимальный протекающий ток ничтожен – и не представляет для человека ровным счетом никакой опасности. Некоторую опасность он представляет для различной периферии – если при подключении, скажем, LPT-принтера к незаземленному компьютеру последний не выключен из розетки, то может оказаться так, что на сигнальных контактах LPT-разъема принтера окажутся те самые 110В, а это уже может привести к выходу LPT-порта принтера или компьютера из строя. Впрочем, для борьбы с этим необязательно все заземлять – достаточно будет того, чтобы были надежно электрически соединены корпуса всех устройств, а это достигается, например, включением их в один удлинитель с трехконтактными розетками – именно через "земляной" контакт розеток они и окажутся соединены, а тогда портам ничто не грозит. Также ничто не угрожает и портам, рассчитанным на "горячее" подключение (например, FireWire и USB) – конструкция их разъемов такова, что "земляные" контакты в них всегда замыкаются первыми, обеспечивая надежное соединение корпусов устройств.

Другой вопрос связан с возможностью пробоя одного из этих конденсаторов – ведь в таком случае на корпусе компьютера появится полное напряжение 220В. Тут я также могу полностью успокоить читателей – в подобных схемах используются специальные высоковольтные конденсаторы Y-класса, напряжение пробоя которых составляет не менее 5 кВ (в случае класса Y2, применяемого в бытовой технике) – как Вы понимаете, вероятность пробоя такого конденсатора в обычной сети 220В нулевая.

Единственный случай, когда заземление действительно оказывается необходимым – это когда Ваш компьютер создает помехи, действующие на окружающее оборудование (например, на радиоприемник, телевизор или подключенный к тому же компьютеру модем), ибо, как я уже говорил, полностью избавиться от синфазных помех без заземления практически невозможно. Не помогут в этом случае и внешние сетевые фильтры – их схема совершенно аналогична приведенной выше, а потому без заземления не работают и они. В случае, если у Вас в квартире трехпроводная электропроводка с земляным проводом, для организации заземления достаточно использовать соответствующие шнуры питания; если же у Вас старая двухпроводная проводка, то я настоятельно советую обратиться за помощью к квалифицированным электрикам – самостоятельное обустройство заземления не только небезопасно (например, иногда встречается грубейшая ошибка – подключение "земли" компьютера к нулевому проводу в розетке: это абсолютно недопустимо), но и может не дать ожидаемого эффекта, ибо для эффективного подавления помех заземление должно обладать как можно более низким сопротивлением.

Также в районе сетевого фильтра в блоке питания обычно располагается плавкий предохранитель и включенные параллельно конденсаторам входного выпрямителя варисторы (нелинейные резисторы, сопротивление которых резко уменьшается при превышении порогового напряжения). С предохранителем связано часто встречающееся заблуждение, заключающееся в том, что он предохраняет блок питания от выхода из строя. Это совершенно не так, на самом деле предохранитель импульсного блока питания сгорает только после того, как вышли из строя ключевые транзисторы этого блока, то есть на самом деле он защищает не блок от выхода из строя, а электрическую сеть – от последствий этого сгорания. Влияние же его на процессы внутри блока заключается разве что в том, что он не дает короткому замыканию перейти в полноценный пожар – но сам факт короткого замыкания предотвратить никак не может. С варисторами же связано не менее распространенное заблуждение, что они способны защитить блок в случае сильного превышения напряжения сети над номиналом – это опять же не так, на самом деле варисторы способны поглотить только достаточно кратковременные всплески напряжения, возникающие, например, в результате близкого удара молнии или подобных факторов. Если же Вам нужна защита именно от долговременного превышения напряжения, могущего возникнуть при замыканиях проводов воздушной проводки (что достаточно характерно для сельской местности) или же в результате ошибки электриков (что крайне редко, но все же случается), то стоит обратить внимание на специализированные устройства, для которых такая защита явно заявлена производителем, например, на стабилизаторы APC Line-R и подобные. Никакой встроенной защиты от долговременного превышения сетевого напряжения, я напомню, в блоке питания нет – без внешнего защитного устройства в такой ситуации он просто выйдет из строя.

Однако давайте вернемся к функционированию самого блока. После схемы коррекции фактора мощности (или, в случае отсутствия таковой, напрямую с диодного моста) выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы C1 и C2, а с них – на ключ (обычно он представляет собой два транзистора), управляющий силовым трансформатором T1. Типичная частота работы ключа в компьютерном блоке питания – 30-35 кГц.

Так как блок питания имеет до шести выходных напряжений (+12В, +5В, +3,3В, -5В, -12В и +5В дежурного режима), то в идеале необходимо реализовать шесть стабилизаторов. На практике же расположить в ограниченном объеме блока питания даже два раздельных мощных стабилизатора (скажем, для +5В и +3,3В), при этом, не подняв его стоимость в область астрономических величин, практически невозможно. Поэтому во всех современных блоках используется лишь один импульсный стабилизатор (на самом деле, вообще говоря, два – источник +5В дежурного режима представляет из себя совершенно независимый маломощный стабилизатор, но благодаря малой мощности (всего 10 Вт), его реализация особой сложности не представляет).

Итак, все выходные напряжения, кроме +5В дежурного режима, снимаются с одного и того же трансформатора T1 (на блок-схеме для простоты показаны только два напряжения). Отмечу, что во всех современных блоках при управлении ключами используется не частотная модуляция (когда, как я мимоходом говорил выше, меняется частота переключения ключей), а широтно-импульсная, когда при неизменной частоте следования импульсов меняется их ширина. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии закачивается в трансформатор за каждый период, и тем больше напряжение на его выходе.

Однако, если просто снимать сигнал обратной связи с одного из выходных напряжений, то блок будет стабилизировать только его. Например, пусть это будет +5В. Тогда при росте нагрузки на +5В напряжение на этом выходе начнет проседать, ШИМ-контроллер увеличит ширину импульсов, вытягивая его обратно на заданный уровень... и все остальные напряжения также пойдут вверх. Для борьбы с этим эффектом используется сразу несколько решений.

Во-первых, сигнал обратной связи снимается сразу с двух наиболее нагруженных выходных линий – с +12В и +5В, через резисторный делитель. Таким образом, качество стабилизации каждого из напряжений по отдельности ухудшается, однако стабилизатор блока питания реагирует на изменение нагрузки не по одному, а сразу по двум напряжениям – и в результате блок питания нормально работает при различных распределениях нагрузки между этими двумя шинами.

Во-вторых, третья сильноточная шина, +3,3В, в большинстве блоков питания имеет собственный вспомогательный стабилизатор – так называемую схему на насыщаемом дросселе (также встречаются названия "магнитный стабилизатор" и "магнитный усилитель"). Стабилизаторы на насыщаемом дросселе отличаются достаточно высоким КПД и при этом сравнительно неплохим коэффициентом стабилизации, являясь разновидностью импульсных. Напряжение +3,3В получается с тех же обмоток трансформатора, что и +5В. Впрочем, встречаются и блоки питания, в которых производитель пожелал сэкономить на вспомогательном стабилизаторе, намотав на силовом трансформаторе отдельную обмотку под напряжение 3,3В. Так как обратная связь на стабилизатор с этого напряжения не заводится, то его стабильность в таких блоках оставляет желать лучшего.

В-третьих, слаботочные шины, то есть -12В и -5В, иногда снабжают обычными линейными стабилизаторами – благодаря маленьким токам нагрузки по этим шинам невысокий КПД таких стабилизаторов в общий КПД блока питания вклада почти не вносит. Впрочем, так чаще стабилизируется только -5В – ради экономии на обмотках трансформатора оно получается из -12В с помощью линейного стабилизатора, а так как в современных блоках питания это напряжение уже не требуется, то и линейные стабилизаторы из блоков исчезли совсем.

И, наконец, в четвертых, все выходные напряжения проходят через разные обмотки так называемого дросселя групповой стабилизации L1. Допустим, увеличилось потребление по +5В, ШИМ-стабилизатор отреагировал на это увеличением ширины импульсов, напряжение +5В вернулось в норму, но остальные напряжения, нагрузка по которым не увеличилась, слегка подросли – хоть для них и применяются описанные выше дополнительные меры по стабилизации, все же основное внимание уделяется напряжению +5В. Однако дроссель групповой стабилизации сконструирован так, что при увеличении тока через одну из обмоток напряжение, наведенное этим током в остальных обмотках, вычитается из соответствующих выходных напряжений. Поэтому в рассматриваемом случае за счет увеличившегося тока через обмотку, соответствующую +5В, в обмотках, соответствующих +12В и +3,3В, возникнут отрицательные напряжения – и эти напряжения увеличатся не так сильно, как увеличились бы в отсутствие дросселя групповой стабилизации.

Все эти меры приводят к тому, что блок обеспечивает не столь идеальную, как было бы в случае раздельных стабилизаторов на каждое напряжение, но в общем и целом приемлемую для работы в широком диапазоне нагрузок стабилизацию всех выходных напряжений. Однако назвать ее более чем "приемлемой" не удается, и отсюда проистекает одна из распространенных проблем блоков питания – проблема перекоса выходных напряжений. Если нагрузка блока питания распределяется по его шинам менее равномерно, чем предполагали его разработчики (например, система потребляет большой ток по +5В и маленький по +12В, что характерно для многих систем на старших процессорах Athlon XP), то стабилизатору не удается удержать все напряжения в заданных рамках – и более нагруженные шины изрядно проседают, в то время как на слабо нагруженных напряжения наоборот оказываются завышенными. Отсюда же проистекает и невозможность раздельной регулировки выходных напряжений блока питания – их соотношение жестко задано параметрами силового трансформатора и дросселя групповой стабилизации, а регулировками ШИМ можно лишь поднять или опустить их все одновременно.

В последнее время в дорогих блоках питания – например, производства OCZ или Antec – стал встречаться интересный вариант решения этой проблемы: вспомогательные стабилизаторы на насыщаемых дросселях устанавливаются не только на шину +3,3В, но также и на +12В и +5В. Это позволяет не только достичь очень хорошего (по меркам компьютерных блоков питания) коэффициента стабилизации всех выходных напряжений, но и при необходимости регулировать каждое из напряжений независимо от остальных, меняя параметры его собственного вспомогательного стабилизатора. Впрочем, я вынужден еще раз отметить, что такая конструкция – пока что прерогатива лишь наиболее дорогих блоков питания, а для блоков средней ценовой категории зависимость всех выходных напряжений от нагрузки на каждую из шин является неотъемлемой чертой.

После дросселя групповой стабилизации на выходе блока питания стоят электролитические конденсаторы большой емкости (C3...C6 по приведенной выше схеме) и фильтрующие дроссели – и те, и другие призваны сглаживать пульсации выходного напряжения на частоте работы ШИМ-стабилизатора и, соответственно, силового трансформатора. Несмотря на наличие дросселя групповой стабилизации, раздельные дроссели все же необходимы – благодаря маленьким габаритам и, соответственно, маленькой паразитной емкости они хорошо подавляют высокочастотные помехи, которые дроссель групповой стабилизации, имеющий довольно паразитную емкость, пропускает.

Таким образом, двумя неотъемлемыми проблемами любого компьютерного блока питания являются зависимость каждого из выходных напряжений от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и на все остальные шины, а также наличие на выходе блока пульсаций с удвоенной частотой работы ШИМ-стабилизатора, то есть, обычно, около 60 кГц.

К этому, разумеется, производители блоков питания – как правило, нижней ценовой категории – добавляют свои собственные "особенности", перечислять которые можно долго. В первую очередь страдают номиналы деталей – так, в качестве диодных сборок на выходе силового трансформатора могут устанавливаться не только сборки, рассчитанные на ток меньше указанного на этикетке блока, но даже дискретные слаботочные диоды, максимальный ток через которые составляет всего 3...5А. Это зачастую приводит к тому, что при работе под полной нагрузкой блок питания просто выходит из строя в течение нескольких минут, тем более что обычно производитель заодно экономит и на размере радиаторов, на которые эти диоды устанавливаются.

Точно так же страдают и номиналы конденсаторов, и это тоже сказывается на работе блока питания при большой нагрузке – уменьшение емкостей входных конденсаторов приводит к ухудшению реакции блока на небольшие провалы входного напряжения, уменьшение емкости выходных – к увеличению размаха пульсаций на выходе блока питания.

Одновременно с уменьшением номиналов деталей внутри блока проявляются и внешние признаки удешевления – уменьшается количество выходных разъемов блока, а провода, на которых они расположены, уменьшаются в сечении с положенных 18 AWG до 20 AWG (чем больше цифра в системе маркировки AWG – тем меньше сечение провода). Последнее приводит к увеличению падения напряжения на проводах – и, следовательно, увеличению пульсаций напряжения непосредственно на разъемах питания потребителей, а также, в случае большой нагрузки, даже к заметному нагреву проводов.

До последнего держатся фильтрующие дроссели – уменьшение их размеров не дает серьезной экономии в цене, поэтому до тех пор, пока производитель не посчитает их вообще лишними, дроссели в блоке присутствуют. Замена же их на перемычки приводит к увеличению уровня пульсаций на выходе блока питания (если это были выходные дроссели) или же к увеличению уровня помех, выдаваемых блоком питания в сеть 220В (если это были дроссели входного фильтра).

Одним же из наиболее запомнившихся пользователям методов удешевления блоков питания нижнего ценового диапазона, вне всякого сомнения, стало исполнение источника дежурного питания +5В в виде блокинг-генератора с электролитическим конденсатором в цепи обратной связи. В такой схеме, представляющей собой импульсный источник питания на базе блокинг-генератора, выходное напряжение определяется частотой импульсов, а она, в свою очередь, обратно пропорциональна емкости конденсатора в цепи обратной связи. Использование же дешевых конденсаторов, рассчитанных на работу при температуре до 85 градусов, плюс очень тяжелый температурный режим работы "дежурки" (она работает непрерывно, в то время как охлаждающий блок питания вентилятор – только когда компьютер включен), характерный для наиболее дешевых блоков питания, приводили к тому, что примерно через полтора года эксплуатации БП конденсатор начинал высыхать, а емкость его – соответственно, уменьшаться. Одновременно с уменьшением емкости начинало расти выходное напряжение дежурного источника, а так как от него запитывается основной стабилизатор блока питания, то в один прекрасный момент это приводило к выходу основного стабилизатора из строя в момент включения компьютера, причем выход этот сопровождался выдачей по всем шинам питания завышенных в два-три раза напряжений. Разумеется, компьютер после такого фактически полностью выгорал, вплоть до визуально обнаруживаемого прогорания микросхем на материнской плате, в винчестере и так далее... Некоторые шансы сохранялись разве что у процессора и памяти – если выдерживали их собственные стабилизаторы, расположенные на материнской плате.

Конечно, со временем производители одумались и стали устанавливать в "дежурку" практически вечные пленочные конденсаторы вместо электролитических, благо емкость там требовалась небольшая – однако к этому моменту было выпущено уже достаточное количество таких "бомб замедленного действия", чтобы служить очень серьезным аргументом в пользу покупки более дорогих и качественных блоков питания, в которых столь сомнительные схемотехнические решения не применялись.

Коррекция фактора мощности


В цепях переменного тока принято различать четыре вида мощности. Во-первых, это мгновенная мощность – произведение тока на напряжение в данный момент времени. Во-вторых, это так называемая активная мощность – мощность, выделяющаяся на чисто резистивной нагрузке, измеряется она в ваттах - Вт. Активная мощность целиком идет на полезную работу (нагрев, механическое движение), и обычно именно ее понимают под потребляемой мощностью.

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных – ВАР. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, лишь зря нагружая питающие провода. Таким образом, реактивная мощность совершенно бесполезна, и с ней по возможности борются, применяя различные корректирующие устройства.

Фактором, или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной, то есть к векторной сумме активной и реактивной мощностей.

Импульсный блок питания без каких-либо дополнительных цепей коррекции представляет собой мощную емкостную нагрузку – ведь, как видно из приведенной ранее схемы, сразу после диодного моста D1 расположены два конденсатора, причем сравнительно большой емкости, с которых уже снимается напряжение питания импульсного стабилизатора. При включении блока питания в сеть первой четвертьволной сетевого напряжения конденсаторы заряжаются до трехсот с небольшим вольт, потом сетевое напряжение начинает быстро спадать (вторая четвертьволна), в то время как конденсаторы значительно медленнее разряжаются в нагрузку (то есть в импульсный стабилизатор) – в результате в момент начала роста сетевого напряжения (третья четвертьволна) напряжение на не успевших до конца разрядиться конденсаторах будет порядка 250В, и пока напряжение в сети меньше – ток заряда будет равен нулю (диоды выпрямителя заперты приложенным к ним обратным напряжением, равным разности напряжений на конденсаторах и в сети). На последней трети четвертьволны (разумеется, все численные оценки я даю весьма приблизительно – в реальности они зависят от величины нагрузки и емкости конденсаторов) напряжение в сети превысит напряжение на конденсаторах – и потечет ток заряда. Заряд прекратится, как только напряжение в сети снова станет меньше, чем на конденсаторах – это произойдет в первой половине четвертой четвертьволны. В результате блок питания потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения:


Блок питания без PFC
На приведенной выше осциллограмме зеленый "луч" – сетевое напряжение, а желтый – потребляемый блоком питания от сети ток. При такой картине фактор мощности получается равен приблизительно 0,7 – то есть почти треть мощности лишь бестолку нагревает провода, не производя никакой полезной работы. И если для частных пользователей эта цифра не имеет большого значения, ибо квартирные электросчетчики учитывают лишь активную мощность, то для крупных офисов и вообще любых помещений, где одновременно работает множество компьютеров, низкий коэффициент мощности представляет собой заметную проблему, ибо вся электропроводка и сопутствующее оборудование должно рассчитываться исходя именно из полной мощности – иначе говоря, при коэффициенте мощности 0,7 оно должно быть на треть мощнее, чем могло бы быть, не потребляй блок питания реактивную мощность. Также сказывается низкий коэффициент мощности и при выборе источников бесперебойного питания – для них ограничением является опять же полная, а не активная мощность.

Соответственно, в последнее время все большую популярность приобретают устройства коррекции коэффициента мощности (PFC). Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.


Блок питания с пассивным PFC
Как видно из этой осциллограммы, пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако индуктивности дросселя, габариты которого позволяют установить его внутри компьютерного блока питания, для серьезного влияния на коэффициент мощности явно недостаточно, и коэффициент мощности блоков с пассивным PFC составляет всего лишь около 0,75.

Увеличить индуктивность дросселя не позволяют не только габариты, но и влияние этого дросселя на работу блока питания – включенная последовательно с блоком питания большая индуктивность увеличивает выходное сопротивление высоковольтного выпрямителя.

Отчасти дроссель PFC может служить для подавления различных помех, однако и в этом польза от него невелика – из-за большой паразитной емкости он эффективно давит только низкочастотные помехи, свободно пропуская высокочастотные.

Таким образом, роль пассивного PFC в общем неоднозначна – коэффициент мощности он увеличивает крайне мало, да при этом еще увеличивает выходное сопротивление выпрямителя, что ухудшает реакцию блока питания на стабильно пониженное напряжение сети или на его кратковременные провалы. Поэтому, если Вы стоите перед выбором между двумя блоками питания – с пассивным PFC и без оного – то рассматривать наличие PFC как однозначное преимущество не стоит, и лучше будет делать свой выбор на основе других параметров блоков.

В отличие от пассивного, активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение. Активный PFC включается между сетью 220В и основным стабилизатором, обеспечивая на входе последнего постоянное напряжение порядка 380...400В. В отличие от основного импульсного стабилизатора, активный PFC сконструирован так, что ему на входе не требуется сглаженное напряжение, следовательно, не требуются и конденсаторы – а потому импульсный источник питания активного PFC не создает емкостной нагрузки на сеть и, соответственно, имеет близкий к единице коэффициент мощности.


Блок питания с активным PFC
Как Вы видите, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой. Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7...0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Ниже на графике приведены результат экспериментального измерения зависимости коэффициента мощности от нагрузки на блок питания для трех блоков – без PFC вообще, с пассивным PFC и, наконец, с активным PFC.


Мало того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания. Во-первых, он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – мало того, что блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, так еще и при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. Во-вторых, использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя C1 и C2, а эта энергия пропорциональна квадрату напряжения на них; как я отмечал выше, при использовании активного PFC это напряжение достигает 400В против обычных 310В – следовательно, эффективность использования конденсаторов увеличивается более чем в два раза (из-за того, что запасенная в конденсаторах энергия вычерпывается далеко неполностью, эффективность растет еще быстрее, чем квадрат напряжения на конденсаторах).

Фактически, у активного PFC только два недостатка – во-первых, как и вообще любое усложнение конструкции, он снижает надежность блока питания, во-вторых, он также имеет КПД, отличный от 100%, а потому требует охлаждения (впрочем, с другой стороны, активный PFC несколько снижает потери во входном фильтре и в самом инверторе, так что общего падения КПД блока не происходит). Тем не менее, преимущества от использования активного PFC в абсолютном большинстве случаев перевешивают эти недостатки.

Итак, если Вы нуждаетесь в блоке с коррекцией фактора мощности, то обращать внимание надо в первую очередь на модели с активным PFC – только они обеспечивают действительно хороший коэффициент мощности, при этом еще и заметно улучшая прочие характеристики блока питания. С точки зрения домашних пользователей блоки с активным PFC окажутся полезными для владельцев маломощных UPS'ов: допустим, у Вас уже стоит UPS мощностью 500 ВА, из которых 50 ВА потребляет ЖК-монитор, а 450 ВА остаются на системный блок, и Вы собираетесь проапгрейдить последний до современного уровня – а достаточно серьезная современная конфигурация вполне может потреблять от блока питания при максимальной загрузке до 300 Вт. В таком случае, на блоке питания с коэффициентом мощности 0,7 и КПД 80% (это достаточно типичная цифра для хорошего блока) мы получим полную потребляемую от сети мощность 300/(0,75*0,8) = 500 ВА, а на таком же блоке с коэффициентом мощности 0,95 – соответственно, 300/(0,95*0,8) = 395 ВА. Как видите, в случае с блоком питания без PFC замена UPS'а на более мощный неминуема, иначе в случае отключения электричества в неподходящий момент нынешний просто не справится с нагрузкой, а в случае с блоком с активным PFC даже еще остается небольшой запас в 55 ВА. По-хорошему, конечно, в этом расчете надо учитывать еще и то, что на выходе недорогих UPS напряжение имеет не синусоидальную, а трапециевидную форму – однако при этом изменятся лишь абсолютные полученные цифры, преимущество же блока питания с активным PFC сохранится.

И в заключение этого раздела хотелось бы развеять один миф, связанный с PFC: многие пользователи путают коэффициент мощности и коэффициент полезного действия, в то время как это совершенно различные величины. КПД по определению равен отношению выходной мощности блока питания к потребляемой им от сети активной мощности, в то время как коэффициент мощности – отношению потребляемой от сети активной мощности к потребляемой от сети полной. Установка в блок питания схемы PFC влияет на потребляемую им активную мощность лишь опосредованно – за счет того, что сам PFC потребляет некоторую мощность, плюс изменяется входное напряжение основного стабилизатора; основной задачей PFC является уменьшение потребляемой блоком реактивной мощности, которая в расчете КПД никак не учитывается. Поэтому непосредственной связи между КПД и коэффициентом мощности – нет.

Стенд для тестирования блоков питания


Основной стенда для тестирования блоков питания в нашей лаборатории является полуавтоматическая установка, позволяющая устанавливать требуемую нагрузку на шины +5В, +12В, +3,3В и +5В дежурного режима испытуемого блока, одновременно измеряя соответствующие выходные напряжения.


Аппаратная часть установки базируется на 4-канальном ЦАП Maxim MX7226, к выходам которого подключены источники тока. Последние выполнены на операционных усилителях LM324D и мощных полевых транзисторах IRFP064N, установленных на радиаторы с принудительным воздушным охлаждением.


Каждый из транзисторов имеет предельную рассеиваемую мощность 200 Вт, а так как в каждом из наиболее мощных каналов нагрузки (+5В и +12В) используется по три таких транзистора, то установка позволяет тестировать любые существующие на данный момент ATX блоки питания, вплоть до самых мощных – даже с учетом снижения допустимой мощности рассеяния транзисторов по мере роста их температуры допустимая мощность нагрузки по каждому из каналов составляет не менее 400 Вт.

Для измерения установленных токов нагрузки и выходных напряжений тестируемого блока в установке используются два 4-канальных АЦП Maxim MX7824 – один АЦП отвечает за токи, другой – за напряжения.

Все управление установкой, начиная от включения тестируемого блока питания и заканчивая проведением всех возможных тестов, а также регистрация и обработка их результатов, осуществляется с компьютера по порту LPT. Специально для этих целей была написана программа, позволяющая как вручную устанавливать ток нагрузки независимо по каждой из шин, так и выполнять некоторые стандартные тесты блоков питания (например, построение кросс-нагрузочной характеристики, о чем будет сказано ниже) в полностью автоматическом режиме.


Помимо основной установки, для тестирования блоков также используются два вспомогательных приспособления. Во-первых, это генератор прямоугольных импульсов с частотой, дискретно изменяемой от 60 Гц до 40 кГц:


Генератор подключается к тестируемому блоку питания в виде нагрузки – с помощью переключателя можно выбирать, будет ли он подключен к шине +12В или же к +5В, в обоих случаях пиковый ток создаваемой им нагрузки составляет около 1,3 А. Это позволяет оценить, насколько хорошо тестируемый блок питания реагирует на сравнительно мощные импульсы нагрузки прямоугольной формы, следующие с частотами от десятков герц до десятков килогерц.

Во-вторых, для снятия осциллограмм потребляемого блоком питания тока и, одновременно, питающего сетевого напряжения используется обычный шунт на мощных проволочных резисторах суммарным сопротивлением около 0,61 Ом:


К этой плате при тестировании блока питания подключаются щупы цифрового двухканального осциллографа – один его канал фиксирует осциллограмму сетевого напряжения, а другой – осциллограмму потребляемого блоком питания тока. Далее полученные осциллограммы обрабатываются специально написанной для этого небольшой программой, сразу рассчитывающей все интересующие нас параметры – потребляемую им активную, реактивную и полную мощности и, соответственно, коэффициент мощности и КПД блока питания.


Для снятия осциллограмм используется цифровой двухканальный "виртуальный" осциллограф (виртуальность в данном случае означает, что этот осциллограф представляет собой устанавливаемую в компьютер плату и без компьютера, в отличие от обычных осциллографов, работать не может, ибо не обладает собственными аппаратными средствами управления и отображения информации) M221 производства словацкой компании ETC. Осциллограф имеет полосу пропускания аналоговой части 100 МГц, максимальную скорость оцифровки произвольного сигнала 20 млн. сэмплов в секунду и чувствительность от 50 мВ/дел до 10 В/дел. Помимо измерений КПД и коэффициента мощности тестируемых блоков питания, осциллограф используется для оценки размаха, формы и частотного состава пульсаций выходных напряжений блоков питания.


Для быстрой оценки токов и напряжений в процессе тестирования, а также для периодической проверки другого измерительного оборудования, в нашей лаборатории используется мультиметр Uni-Trend UT70D, позволяющий с очень хорошей точностью измерять токи и напряжения, в том числе и несинусоидальной формы, что очень важно при тестировании блоков питания без коррекции фактора мощности – многие измерительные приборы, не имеющие пометки "TrueRMS", не способны адекватно измерять переменные токи и напряжения, чья форма отличается от синусоиды.


Для измерения температуры внутри блока питания нами используется цифровой термометр Fluke 54 Series II с термопарами 80PK-1 и 80PK-3A (наименования всех моделей даны по каталогу Fluke). К сожалению, имеющийся у нас бесконтактный инфракрасный цифровой термометр показал неудовлетворительную точность измерений на блестящих металлических поверхностях (например, на алюминиевых радиаторах блоков питания), что и вынудило нас перейти на использование термопарного термометра.


Для измерения скоростей вентиляторов блоков питания используется оптический тахометр Velleman DTO2234. Он позволяет без малейших проблем проводить измерения скорости вентилятора в закрытом блоке питания, то есть без нарушения его естественного теплового режима – достаточно лишь наклеить на одну из лопастей вентилятора тоненькую полоску отражающего материала.


И, наконец, для обеспечения всех блоков питания одинаковым сетевым напряжением, вне зависимости от его суточных колебаний, а также для обеспечения возможности тестирования блоков при повышенном или пониженном напряжении питания они подключаются к сети через лабораторный автотрансформатор Wusley TDGC2-2000 с допустимой мощностью нагрузки до 2 кВт и пределами регулировки напряжения от 0 до 250В.

Методика тестирования блоков питания


Первым и наиболее важным тестом для любого блока питания является построение так называемой кросс-нагрузочной характеристики. Как я уже говорил в теоретической части статьи, каждое выходное напряжение блока питания зависит от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и от нагрузок на все остальные шины.

Стандартом ATX предусмотрены максимальные допустимые отклонения выходных напряжений от номинала – это 5% для всех положительных выходных напряжений (+12В, +5В и +3,3В) и 10% для отрицательных выходных напряжений (-5В и -12В, из которых, впрочем, в современных блоках осталось только последнее). Кросс-нагрузочной же характеристикой (КНХ) блока называется та область сочетаний нагрузок, при которой ни одно из выходных напряжений не выходит за допустимые рамки.

Строится КНХ в виде области на плоскости, где по горизонтальной оси координат отложена нагрузка на шину +12В, а по вертикальной – суммарная нагрузка на шину +5В и +3,3В. При построении КНХ установка для тестирования блоков питания в полностью автоматическом режиме меняет нагрузку на эти шины с шагом в 5 Вт и, если все выходные напряжения блока на данном шаге уложились в заданные рамки, ставит на плоскости точку, цвет которой – от зеленого до красного – соответствует отклонению каждого из напряжений в данной точке от номинала. Так как используемая нами установка контролирует три основных выходных напряжения, то для каждого блока питания получаются, соответственно, три графика (для каждого из напряжений), на которых одна и та же область будет закрашена разными цветами. Форма области на всех трех одинакова, так как она определяется не для каждого из напряжений в отдельности, а для всех вместе, и выход за допустимые границы любого из напряжений означает, что соответствующей точки не будет на графиках для всех напряжений; закраска же области различна потому, что строится индивидуально для каждого из напряжений. Ниже приведен пример КНХ для блока Macropower MP-360AR Ver. 2, раскрашенная в соответствии с отклонениями напряжения +12В (в статьях я буду приводить анимированные картинки, в которых по очереди будут показываться все три напряжения, текущее напряжение указывается в верхнем правом углу графика, над цветовой шкалой):


На этом графике каждая точка строго соответствует одному шагу измерений, причем для удобства в процессе измерений точки, в которых напряжения вышли за допустимые рамки, обозначаются серым цветом и меньшим размером – это необходимо для удобства экспериментатора, наблюдающего за ходом измерений в реальном времени. После окончания измерений полученные данные обрабатываются с помощью билинейной интерполяции – так вместо отдельных точек получается более удобная для восприятия закрашенная область с четкими краями:


Итак, что мы видим на этом графике? Протестированный блок питания замечательно справляется с нагрузкой по шине +12В – он способен выдавать положенные напряжения при максимальной нагрузке по этой шине и всего лишь 5Вт по шине +5В (5Вт – это типичное начальное значение при наших измерениях; для мощных блоков, нестабильно работающих при столь незначительных нагрузках, оно увеличивается до 15 Вт или 25 Вт).

Ровная вертикальная граница в правой нижней части графика означает, что здесь блок дошел до предела мощности шины +12В (для данного блока она составляет 300Вт), и установка не стала увеличивать ток нагрузки дальше во избежание выхода блока питания из строя. Выше вертикальная граница переходит в наклонную (правый верхний угол графика) – это область, где установка дошла до предельной мощности блока питания (в данном случае она составляет 340Вт), а потому по мере увеличения нагрузки на +5В вынуждена была снижать нагрузку на +12В, чтобы опять же предотвратить выход блока питания из строя или срабатывание его защиты.

Продолжаем обходить контур против часовой стрелки. В верхней части графика наклонная линия переходит в ровную горизонтальную – это область, где установка достигла предельно допустимой нагрузки по +5В, а потом не стала более увеличивать мощность по этой шине, хотя блок питания выдавал напряжения в пределах нормы.

И, наконец, в левой верхней части графика мы видим неровную наклонную линию, которая явно не объясняется пределом по мощности – ведь нагрузка по +12В в этой области слишком мала. Зато эта линия прекрасно объясняется красным цветом графика – при большой нагрузке по +5В и малой по +12В напряжение по шине +12В достигло 5% отклонения, тем самым обозначив границу КНХ.

Таким образом, по этому графику можно сказать, что данный блок питания хорошо держит уровень выходных напряжений и позволяет без проблем получить от него заявленную мощность, но будет предпочтителен для наиболее современных систем с питанием как процессора, так и видеокарты от +12В, ибо перекос нагрузки в сторону этой шины воспринимает лучше, нежели перекос в сторону шины +5В.

Для сравнения давайте посмотрим на КНХ существенно более дешевого блока питания – L&C LC-B300ATX с заявленной мощностью 300Вт. График в данном случае опять же построен только для напряжения +12В:


Отличия от MP-360AR сразу же бросаются в глаза. Во-первых, нижняя линия контура уже не горизонтальная – в правой части она начинает уходить вверх, причем по красному цвету видно, что это было вызвано не только выходом за пределы напряжения +5В (что бывает достаточно часто при большой нагрузке по +12В), но и проседанием напряжения +12В. Во-вторых, на контуре нет верхней горизонтальной "полки", верхняя точка графика соответствует нагрузке по +5В около 150Вт – а это означает, что обещанные производителем по этой шине максимальные 180Вт на практике получить невозможно в принципе, ни при каких комбинациях нагрузок. В-третьих, несмотря на более высокую заявленную мощность по шинам +5В и +3,3В по сравнению с MP-360AR (180Вт против 130Вт), хорошо видно, что наклонная линия в левой верхней части графика у MP-360AR начиналась на мощности нагрузки по +5В более 80 Вт, в то время как у LC-B300 – всего лишь около 50 Вт. Это означает, что, несмотря на формально заявленную большую мощность по шине +5В у LC-B300 по сравнению с MP-360AR, на практике во многих случаях получить большую реальную мощность по этой шине удастся как раз от блока производства Macropower.

Думаю, внимательные читатели уже заметили, что, если построить оба графика в одинаковом масштабе, КНХ блока от Macropower окажется по сравнению с КНХ блока от L&C сильно вытянута вдоль оси +12В. Объясняется это тем, что эти два блока относятся к разным версиям стандарта ATX/ATX12V Power Supply, в которых предпочтительным считалось разное распределение нагрузки между шинами блока питания. Для сравнения ниже на рисунке нанесены КНХ, которыми, по мнению Intel (как составителя всего семейства стандартов ATX) в разные годы должны были обладать блоки питания:


Как видите, изначально стандарт ATX предполагал потребление в основном от шин +5В и +3,3В – и действительно, практически вся начинка компьютера питалась от этих напряжений, на +12В заметную нагрузку создавала разве что механика винчестеров и оптических приводов.

Однако со временем ситуация стала меняться – процессоры становились все мощнее, и питание их от +5В создавало целый ряд проблем для разработчиков материнских плат. Во-первых, на тот момент уже было ясно, что рост энергопотребления процессоров продолжится и дальше, что приведет к большому потребляемому току по +5В, а потому возникнет проблема с подведением таких токов к материнской плате – стандартный разъем может просто не справиться. Во-вторых, разъем питания материнской платы придется либо втискивать рядом с VRM процессора, либо же тащить от него через всю плату к VRM шину, рассчитанную на большие токи, что опять же затруднительно...

В связи с этим Intel предложил стандарт ATX12V, согласно которому процессор должен питаться от шины +12В – очевидно, что при той же мощности потребления это означает в 2,4 раза меньший ток. Однако, так как в основном разъеме ATX всего один провод +12В, пришлось ввести дополнительный 4-контактный разъем ATX12V... впрочем, этим Intel убил сразу двух зайцев – не только заранее решил проблему обгорания контактов разъема из-за слишком больших токов нагрузки, но и упростил для производителей материнских плат дизайн PCB, ибо расположить маленький 4-контактный разъем непосредственно рядом с VRM намного проще, чем больше 20-контактный.

К сожалению, компания AMD не поддержала инициативу Intel, а потому многие владельцы материнских плат под Socket A, из которых даже среди имеющихся в продаже в данный момент 20-25% все еще не имеют разъема ATX12V, в полном объеме испытали проблемы, о которых Intel говорил еще четыре года назад – с появлением мощных процессоров под эту платформу появились и первые сообщения и об обгорающих контактах блока питания, и о сильном перекосе его выходных напряжений (как Вы видите из приведенных выше КНХ, даже дешевые блоки лучше справляются с нагрузкой по +12В)...

Фактически единственный технический минус от внедрения ATX12V – некоторое уменьшение КПД VRM, ибо КПД любого импульсного преобразователя с увеличением разницы между входным и выходным напряжениями уменьшается. Впрочем, это с лихвой компенсировалось увеличением КПД собственно блока питания – как и для разработчиков материнских плат, для разработчиков блоков питания решение ориентироваться на основное потребление по шине +12В сильно упростило дизайн блоков.

Как Вы видите из графиков, версии ATX12V до 1.2 включительно отличались от обычного ATX лишь увеличенным допустимым потреблением по шине +12В. Более серьезные изменения произошли в версии 1.3 – в ней впервые за все время развития компьютерных блоков питания требуемая допустимая нагрузка по шине +5В уменьшилась, при этом нагрузка по шине +12В увеличилась еще больше – фактически началась адаптация блоков питания к наиболее современным системам, в которых все меньше потребителей остается на шине +5В (процессоры давно уже питаются от +12В, а сейчас за ними последовали и видеокарты). В отличие от предыдущих моделей, ATX12V 1.3 блок питания уже не обязан поддерживать стабильные напряжения при большой нагрузке на +5В и малой – на +12В.

И, наконец, последней версией на сегодняшний день является ATX12V 2.0. Как нетрудно заметить, в ней мощность блока питания по шине +5В уменьшилась еще сильнее – теперь она составляет всего 130Вт; зато сильно выросла допустимая мощность нагрузки по +12В. Кроме этого, блоки ATX12V 2.0 приобрели 24-контактный разъем питания материнской платы вместо старого 20-контактного – если четыре года назад старого разъема перестало хватать для питания процессора, в связи с чем был придуман ATX12V, то теперь допустимого тока разъема не хватает уже для питания PCI Express карт. Также в блоках ATX12V появилось два источника +12В, но на самом деле внутри блока они являются одним источником, раздельные лишь ограничения тока срабатывания защиты – согласно требованиям безопасности по стандарту IEC-60950, на шине +12В не допустимы токи более 20А, поэтому и приходится разбивать эту шину на две части. Впрочем, производители в случаях, когда соответствие этому стандарту не требуется, могут просто не устанавливать соответствующую схему – тогда ATX12V 2.0 блок питания с токами по шинам +12В, скажем, 10А и 15А, можно спокойно рассматривать как блок питания с одной шиной +12В с током 25А.

Итак, если возвращаться к рассмотренным выше блокам, то можно сказать, что MP-360AR Ver. 2 соответствует стандарту ATX12V 2.0, а LC-B300 – стандарту ATX12V 1.2, отсюда и такая разница в их КНХ. Впрочем, причина, конечно, не только в формальном соответствии разным версиям стандарта – вспомните, как я сетовал на то, что от LC-B300 на практике невозможно получить заявленную мощность по +5В... а теперь давайте наложим на его график рекомендуемую Intel КНХ для 300-ваттных ATX12V 1.2 блоков:


Как Вы видите, блок попросту не вписывается в требования стандарта для 300-ваттных моделей по допустимой нагрузке на +5В, поэтому рассматривать его как 300-ваттный можно разве что с оговоркой, что ватты эти не слишком честные. Для сравнения можно посмотреть на график того же MP-360AR, но уже с рекомендуемой КНХ для 350-ваттных ATX12V 2.0 блоков:


Как Вы видите, соответствие практически идеальное. Думаю, комментарии относительно сравнительного качества этих двух блоков излишни.

Вообще говоря, соответствовать весьма жестким требованиям Intel к КНХ достаточно непросто – есть не столь много блоков, которые могут этим похвастаться, однако и столь грубое нарушение рекомендаций, как в случае с LC-B300, встречается нечасто.

Относительно же расцветки КНХ можно сказать, что идеалом, конечно, является равномерный зеленый цвет... впрочем, идеал, как известно, обычно недостижим. Достаточно нормальна ситуация, когда каждое напряжение, кроме достаточно стабильного +3,3В, проходит весь диапазон от зеленого или желто-зеленого цвета у одного края графика до красного у другого, бывает также, что зеленого цвета на КНХ нет вообще – это означает, что напряжение было изначально завышено. Самое же плохой является ситуация, когда какое-либо напряжение проходит весь диапазон цветов дважды – от красного у одного края через зеленый в середине до красного у другого края КНХ. Такая ситуация, например, видна у рассмотренного выше LC-B300 и означает, что на одном краю КНХ напряжение сильно просело (очевидно, что при маленькой нагрузке на +5В и большой на +12В последнее может только просесть), а на другом краю – наоборот, сильно выросло; иначе говоря, его стабильность очень сильно оставляет желать лучшего...

И, под завершение описания КНХ, приведу пример идеального блока питания. Выше я уже мимоходом упоминал о блоках питания Antec и OCZ с раздельными вспомогательными стабилизаторами на каждой из основных шин, ниже я предлагаю Вашему вниманию экспериментально измеренную КНХ блока OCZ Technology PowerStream OCZ-470ADJ (это уже полноценная картинка со всеми тремя напряжениями, период смены кадров – 5 сек.):


Как Вы видите, мало того, что весь контур КНХ определяется только допустимой максимальной нагрузкой блока питания, так ни одно напряжение даже не приблизилось к 5-процентному отклонению. К сожалению, пока что такие блоки питания сравнительно дороги...

Разумеется, построением КНХ испытания блоков питания не заканчиваются. Во-первых, все блоки проверяются на стабильность работы при постоянной нагрузке от нуля до максимальной с шагом 75 Вт. Таким образом выясняется, способен ли блок вообще выдержать полную нагрузку.
Во-вторых, по мере увеличения нагрузки измеряется температура диодных сборок блока и скорость вращения вентилятора, которая практически во всех современных блоках питания так или иначе зависит от температуры.

К результатам измерений температуры, впрочем, стоит относиться с некоторым скепсисом – у большинства блоков питания разные конструкции радиаторов и расположение диодных сборок на них, а потому измерения температуры имеют довольно большую погрешность. Тем не менее, в критических случаях, когда блок питания оказывается на грани смерти от перегрева (а такое иногда случается в наиболее дешевых моделях), показания термометра могут оказаться интересными – так, в моей практике были блоки, в которых под полной нагрузкой радиаторы разогревались выше сотни градусов.

Более интересны измерения скорости вращения вентиляторов – несмотря на то, что все производители заявляют их температурную регулировку, практическая реализация может очень сильно отличаться. Как правило, для блоков нижнего ценового диапазона начальная скорость вентилятора уже составляет порядка 2000...2200 об./мин. и по мере прогрева меняется лишь на 10...15%, в то время как для качественных блоков начальная скорость может составлять всего лишь 1000...1400 об./мин., при прогреве на полной мощности увеличиваясь в два раза. Очевидно, что если в первом случае блок питания будет шумным всегда, то во втором пользователи не слишком мощных систем, слабо нагружающих блок питания, могут рассчитывать на тишину.

Также при работе блока питания на полной мощности проводятся измерения размаха пульсаций его выходных напряжений. Напомню, что, согласно стандарту, размах пульсаций в диапазоне до 10 МГц не должен превышать 50 мВ для шины +5В и 120 мВ для шины +12В. На практике на выходе блока могут присутствовать заметные пульсации двух частот – около 60 кГц и 100 Гц. Первая является результатом работы ШИМ-стабилизатора блока (обычно его частота около 60 кГц) и присутствует в той или иной мере на всех блоках питания. Ниже приведена осциллограмма достаточно типичных пульсаций на частоте работы ШИМ, зеленым цветом – шина +5В, желтым – +12В:


Как Вы видите, здесь именно тот случай, когда пульсации на шине +5В вышли за допустимые пределы в 50 мВ. На осциллограмме видна именно классическая форма таких пульсаций – треугольная, хотя в более дорогих блоках питания моменты переключения обычно сглаживаются стоящими на выходе дросселями.

Вторая же частота – это удвоенная частота питающей сети (50 Гц), проникающая на выход обычно из-за недостаточной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя, ошибок в схемотехнике или же неудачного дизайна силового трансформатора или печатной платы блока. Как правило, эти колебания (в статьях они приводятся с временной разверткой 4 мс/дел) наблюдаются у многих блоков нижнего ценового диапазона и достаточно редко встречаются у моделей среднего класса. Размах этих пульсаций растет пропорционально нагрузке на блок питания и в максимуме также иногда может выходить за допустимые рамки.

Также к блоку питания при нагрузке 150 Вт подключается уже упоминавшийся выше в предыдущем разделе статьи генератор прямоугольных импульсов, после чего с помощью осциллографа измеряется амплитуда импульсов на другом проводе блока питания, то есть не на том, к которому подключен генератор. Таким образом проверяется общая реакция блока на подобную импульсную нагрузку, и, в частности, то, насколько хорошо он будет подавлять помехи от каждого из подключенных к нему устройств. Впрочем, из-за наличия резких всплесков напряжения в моменты переключения генератора точность измерения не слишком высока, однако иногда и из этих измерений можно сделать интересные выводы.

И, наконец, измерения КПД и коэффициента мощности блоков. Пожалуй, это наименее важный и интересный раздел – как показал опыт, эти параметры достаточно близки для различных блоков, а так как для абсолютного большинства пользователей они не имеют никакого значения, так как небольшие их колебания не оказывают никакого влияния на работу компьютера (а больших колебаний среди разных моделей однотипных блоков не наблюдается), то измерения проводятся только в достаточно редких случаях. Так, коэффициент мощности измеряется для блоков, для которых заявлена его коррекция, а КПД – либо заодно с коэффициентом мощности (фактически значение КПД получается автоматически, для этого не требуется дополнительных измерений), либо если по той или иной причине возникают подозрения, что у данного блока он выходит за допустимые рамки, что бывает крайне редко.

Хотелось бы также под конец сказать о том, что я не измеряю и измерять не буду, несмотря на наличие потенциальной возможности. Я весьма негативно отношусь к тестам, в которых измеряется абсолютно максимальная выдаваемая блоком питания мощность – когда в ходе теста нагрузка на блок повышается до момента срабатывания защиты или же просто сгорания блока. Такие тесты дают слишком сильный разброс результатов не только в зависимости от конкретного экземпляра блока, но и в зависимости от того, как именно экспериментатор его нагружает – то есть как распределяется нагрузка по шинам блока. Кроме того, для нормального функционирования компьютера нужна не некая номинальная способность блока питания держать такую-то мощность, а способность выдавать напряжения и пульсации в пределах установленного стандартом допуска, на что в таких тестах, к сожалению, внимание обычно не обращается. Поэтому получаемые в подобных тестах цифры хоть и весьма красивы, но, увы, имеют не слишком много отношения к реальности.

Итак, разработанная нами на данный момент методика тестирования блоков питания позволяет не только весьма детально исследовать поведение блока питания, но и наглядно сравнить различные блоки питания – и особенно наглядным это стало благодаря построению кросс-нагрузочных характеристик, по которым можно весьма объективно и без дополнительных оговорок сказать, что из себя представляет тот или иной блок.

Как устроен блок питания компьютера. Часть 2

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Не так давно мы с вами начали знакомиться с устройством импульсного блока питания компьютера. В первой части статьи мы рассмотрели его структурную схему. Давайте продолжим знакомство и рассмотрим

Низковольтные выпрямители

Напряжение со вторичных обмоток трансформатора основного инвертора поступает на выпрямители каналов +3,3, +5 и +12 В.

По этим каналам потребляется практически вся мощность, отдаваемая блоком.

Обмотки трансформатора имеют вывод от средней точки. Используется двухполупериодная схема выпрямления с двумя диодами.

Она называется так потому, что используются оба полупериода переменного напряжения.

Кстати, мостовая схема, которая используется в высоковольтном выпрямителе, тоже двухполупериодная.

Отметим, что в низковольтных выпрямителях, в отличие от высоковольтных, используют диоды Шоттки.

Они отличаются от обычных тем, что на них падает меньшее напряжение. По этим диодам могут проходить токи более десятка ампер.

Поэтому рассеиваемая на них мощность уменьшается значительно.

Пара диодов Шоттки помещается обычно в общий трехвыводной корпус с общим анодом или общим катодом. Эта сборка диодов устанавливается на общий радиатор.

У внимательного читателя может возникнуть вопрос. А почему это высоковольтный выпрямитель состоит из четырех диодов, а низковольтный – из двух?

Начнем с того, что высоковольтный выпрямитель невозможно сделать из двух диодов, так как входное переменное напряжение подается не через трансформатор, а непосредственно. А вот с низковольтным возможны варианты.

Можно было бы и здесь использовать мостовую схему из четырех диодов. Но в этом случае последовательно с нагрузкой были бы включены два диода (а не один как в двухдиодной схеме). На втором диоде были бы дополнительные потери, что уменьшило бы выходное напряжение.

Кроме того, на втором диоде бы рассеивалась довольно значительная мощность, что потребовало бы усиления охлаждения (более громоздкого радиатора и вентилятора с большей производительностью).

У нас ведь блок питания, а не отопительный радиатор  :yes:

Недостаток такой схемы – наличие двух (а не одной) вторичных обмоток трансформатора в каждом канале. Но с этим приходится мириться. 

Низковольтные фильтры

После низковольтных выпрямителей в каналах +3,3, +5 и +12 В устанавливаются фильтры. Это, как правило, индуктивно-емкостные (LC) фильтры.

Применяются дроссели на ферритовых сердечниках, обладающие индуктивностью и электролитические конденсаторы.

Их также можно рассматривать как фильтры нижних частот, которые выделяют из пульсирующего напряжения постоянную составляющую.

Следует отметить, что полностью подавить высокочастотные помехи невозможно, их уровень сводят к некоей небольшой допустимой величине. В качественных питающих блоках используют конденсаторы с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением).

Чем ниже ESR, тем меньше будет греться конденсатор. Для уменьшения ESR устанавливают несколько конденсаторов параллельно (а не один с большой емкостью). Та же идеология используется в материнских платах компьютеров, где можно увидеть линейку конденсаторов возле процессора.

В дешевых блоках питания на элементах низковольтных фильтров часто экономят. Дроссели заменяют перемычками, ставят конденсаторы меньших емкостей и меньшим числом.

Это приводит к ухудшению фильтрующих свойств (увеличению пульсаций выходных напряжений).

Это чревато перегревом импульсного стабилизатора (питающего ядро процессора) на материнской плате и уменьшением надежности работы. Такие блоки «шедевры схемотехники» легко отличить по весу.

Качественные блоки питания не должны весить менее 1,5 – 2 кг. «Облегченные» блоки лучше не использовать.

Стабилизация выходных напряжений

В каналах +3,3, +5 и +12 В имеется и дроссель, выполненный на одном общем сердечнике. Это дроссель групповой стабилизации.

Вместе с контроллером и цепями обратной связи он способствует стабилизации этих выходных напряжений.

Напомним, что выходные напряжения должны находиться в пределах  +/- 5% от номинального значения.

При увеличении выходного тока (и, следовательно, и потребляемой нагрузкой мощности) контроллер увеличивает ширину импульсов, открывающих ключи инвертора. При этом увеличивается мощность, поступающая в первичную обмотку основного трансформатора.

Со вторичных обмоток также снимается бОльшая мощность. Проблема в том, что увеличение тока может происходить только по одному из каналов. В ответ на увеличение тока контроллер увеличивает ширину импульсов, стремясь поддержать напряжение в этом канале.

Но при этом увеличиваются и напряжения в других каналах. При использовании дросселя групповой стабилизации увеличение тока водном из каналов увеличивает магнитный поток в сердечнике. При этом наводится напряжение в обмотках и других каналов (сердечник же общий!), которое вычитается из основного.

На самом деле дело обстоит сложнее, применяются и другие схемотехнические напряжения, в частности резистивный делитель в каналах +5 и +12 В. Для стабилизации напряжения +3,3 В могут применять так называемый магнитный усилитель — отдельный дроссель на ферритовом сердечнике, работающий в режиме насыщения.

Охлаждение блока питания

Как уже указывалось, охлаждение радиаторов с силовыми элементами осуществляется вентилятором. Тепло «выдувается» из блока питания наружу. В качественных блоках  контроллер управляет вентилятором охлаждения.

Используя сигнал температурного датчика, он изменяет напряжение на обмотках вентилятора. Если температура внутри блока питания повысилась, контроллер поднимает напряжение на вентиляторе, увеличивая обороты. Если она уменьшилась — уменьшает.

Датчик могут устанавливать на радиаторе, где установлены низковольтные выпрямительные диоды. Однако такая схема достаточно инерционна. В более совершенных моделях контроллер отслеживает потребляемую мощность. Как только она увеличилась, он сразу поднимает обороты вентилятора, работая на опережение.

Блок питания содержит в себе цепи защиты. С их помощью при аварийном увеличении потребляемой мощности или коротком замыкании выводов контроллер останавливает инвертор, предохраняя силовые элементы от выхода из строя. В дешевых моделях эти цепи либо сильно упрощены, либо вообще отсутствуют. Это естественно, снижает надежность блока питания в целом.

В заключение скажем, что не рекомендуется включать блок питания без нагрузки. Во-первых, цепи защиты могут сообщить контроллеру об отсутствии нагрузки, и он не запустит инвертор. Во-вторых, самые дешевые модели могут просто выйти из строя. Нагрузка должна составлять величину хотя бы 10% от максимальной мощности блока.

С вами был Виктор Геронда.

До новых встреч!


Блок питания для шуруповерта

Сетевой блок питания шуруповерта

Аккумуляторный шуруповерт – удобный и необходимый в хозяйстве инструмент. При эксплуатации «от случая к случаю», он может верой и правдой служить многие годы. К сожалению, через 2-3 года, даже при не очень интенсивной эксплуатации, аккумуляторы шуруповерта практически полностью теряют свою емкость. Исправный инструмент, а пользоваться нельзя… Что делать?

Выбросить и купить новый. Самое разумное решение, если Вы эксплуатируете щуруповерт профессионально. А если он бывает нужен всего лишь несколько раз в году – починить забор, повесить полку и т.п. Рука не поднимается выбросить исправный аккумуляторный шуруповерт. Поиск в Интернете показал, что эта проблема волнует многих. Как же предлагают поступить в данной ситуации экономные россияне и жители братских республик.

Первое, самое очевидное решение – использовать внешний аккумулятор для питания шуруповерта. Старый автомобильный или герметичный свинцово-кислотный от ИБП. Но проблема в том, что шуруповерт даже на холостом ходу потребляет 1,5…3 А, а под полной нагрузкой потребляемый ток превышает 10 А. Придется использовать либо толстые, либо короткие соединительные провода. И то и другое неудобно. Разве что работать с аккумулятором в рюкзаке…

Второе решение – сетевой блок питания шуруповерта. Ведь в большинстве случаев работы ведутся в пределах досягаемости электрической розетки. Несколько теряется мобильность, но зато щуруповерт постоянно готов к работе. В качестве блока питания можно использовать обычный трансформатор с выпрямителем. Просто, но тяжело и громоздко. Компьютерный блок питания легче, но проблема с проводами остается. Кроме того, стабилизированный блок питания при работе на коллекторный электродвигатель с резко меняющейся нагрузкой и искрящими щетками может вести себя непредсказуемо.

Самое разумное, на мой взгляд, смонтировать сетевой блок питания в аккумуляторном отсеке шуруповерта. Кабель питания в этом случае может быть небольшого сечения, гибкий и легкий. При необходимости можно использовать стандартный сетевой удлинитель. Сложность в том, что места в аккумуляторном отсеке очень мало. Тем не менее, задача вполне выполнима. Подобная конструкция описана в журнале «Радио» №7 за 2011г. – К. Мороз. Сетевой блок питания для шуруповерта. Эта статья растиражирована на многих сайтах, но практическая проверка описанной в ней конструкции показала, что электронный трансформатор для галогенных ламп, который предлагает использовать автор, – не лучшее, в данном случае решение.

Генератор с самовозбуждением на двух транзисторах хорошо работает на активную нагрузку, а вот искрящий коллектор и резко меняющаяся нагрузка – тяжелое испытание для него. В общем, после выгорания нескольких транзисторов я отказался от дальнейших экспериментов с электронным трансформатором.

Учитывая, что это должна быть простая и дешевая конструкция «выходного дня» я слегка доработал авторский вариант. С целью экономии места исключил сетевой фильтр. Это конечно плохо, но учитывая, что пользоваться шуруповертом планирую не часто, и в основном вдали от радиоаппаратуры, вполне допустимо. Не хватило места также и для резистора, ограничивающего зарядный ток конденсаторов в момент включения в сеть. Тоже не очень хорошо, но оправдания те же самые…

В схеме максимально использованы детали от старого компьютерного блока питания. Это выпрямительный мостик VD1, конденсаторы C1, C2, трансформатор T1 и диодная сборка VD4. Силовые транзисторы тоже можно использовать от компьютерного блока питания, но они должны быть обязательно полевыми. В моем блоке они оказались биполярными, пришлось приобрести рекомендованные автором IRF840.

Еще одно упрощение – использование обычного выпрямителя VD4 на диодах Шоттки, вместо предлагаемого автором «хитрого» синхронного выпрямителя. Замечу, что необходимо использовать диодную сборку именно из диодов с барьером Шоттки. Отличить ее от обычной можно, если измерить мультиметром в режиме прозвонки прямое падение напряжения на диодах. На диодах Шоттки падает не более 0,2 В, тогда как на обычных диодах около 0,6 В. Учитывая ограниченные размеры радиатора нагрев обычных диодов будет недопустимым.

Ну и, наконец, питание микросхемы DD1 осуществляется через обычный гасящий резистор R3. Автор использует для этого еще одну «хитрую» схему – питание берется с точки соединения транзисторов VT3, VT4 через гасящий конденсатор и дополнительный выпрямитель на диодах. Сложно в наладке – надо довольно точно подбирать емкость конденсатора, он должен быть высоковольтным и термостабильным. Есть вероятность сжечь DD1.

В процессе обсуждения на форуме родился еще один вариант схемы питания – с дополнительной обмотки трансформатора. Это самый лучший вариант, бесполезный нагрев элементов минимален. Но на трансформаторе нужна дополнительная изолированная обмотка на 20-30 В.

Я поступил проще – использовал готовый трансформатор от старого компьютерного блока питания. Он как раз подходит по всем параметрам. Лучше раскурочить старый блок мощностью 200-250 Вт, в нем высота трансформатора равна 35 мм – как раз помещается в аккумуляторном отсеке. Трансформаторы от более мощных блоков имеют большую высоту и не помещаются в моем корпусе.

Перед выпаиванием трансформатора нужно внимательно рассмотреть, как соединяются его обмотки и с каких выводов запитан выпрямитель +5 В. Тут возможны варианты, может потребоваться небольшая коррекция чертежа печатной платы блока питания шуруповерта. Обращаю внимание, что используется именно 5-и вольтовая обмотка, амплитуда напряжения на ней как раз около 12 В. Другие обмотки не используются.

А вот намотать на такой трансформатор дополнительную обмотку или изменить число витков существующих, к сожалению не получится. Трансформатор залит эпоксидкой и при его разборке велика вероятность сломать сердечник.

В микросхеме IR2153D между выводами 1 и 4 установлен стабилитрон на 15,6 В, поэтому питание нужно подавать обязательно через токоограничивающий резистор. Показанный на схеме пунктиром диод VD5 необходим только при использовании IR2153 без индекса «D». Конденсаторы C1, C2 можно заменить одним – 100…150 МК, 400 В. При его приобретении определяющий параметр – высота, желательно не более 35 мм, иначе может не поместиться в корпус.

Резистор R3 составлен из 4-х последовательно включенных по 8,2К, 2 Вт. Его номинал желательно подобрать при наладке так, чтобы при минимально возможном напряжении в сети, напряжение на конденсаторе C4 не падало ниже 11 В. Для уменьшения бесполезного нагрева номинал этого резистора должен быть максимально возможным, если его уменьшить, просто увеличится ток через этот резистор и внутренний стабилитрон микросхемы.

Элементы R5, R6, VD2, VD3, VT2, VT4 защищают полевые транзисторы от пробоя в случае аварийных режимов работы. Номинал C9 увеличивать не следует, т.к. это увеличит и без того большой бросок тока при включении в сеть. Мостик VD1 должен выдерживать ток не менее 5 А при напряжении 400 В. VD4 – сборка из диодов Шоттки с допустимым током не менее 30А. VD1 и VD4 отлично подходят от компьютерного блока питания. Вентилятор на 12 В, его внешние размеры 40х40 или 50х50 мм. Элементы в корпусах для поверхностного монтажа типоразмеров 0805 или 1206. DD1 в DIP корпусе, обратите внимание на надежность изоляции на плате между выводами 5 и 6.

Чертеж печатной платы показан на рисунке, вид со стороны печатных проводников. Перед ее изготовлением нужно разобрать имеющийся аккумуляторный отсек шуруповерта и убедиться, что плата в него вписывается. Скорее всего потребуется небольшая коррекция, т.к. отсеки у разных производителей имеют небольшие конструктивные отличия.

Силовые транзисторы VT1, VT3 и диодная сборка VD4 монтируются на небольших алюминиевых пластинках. Их габариты – по месту. В корпусе необходимо просверлить вентиляционные отверстия. Вентилятор придется разместить снаружи корпуса – без него длительная работа не гарантируется. Естественной вентиляции в данном случае недостаточно. И не забудьте про предохранитель FU1.

При первом включении блок лучше запитать от источника питания 20-25 В с током 100…200 МА. При этом резистор R3 временно шунтируется другим, с номиналом 1К. Если все нормально, на выходе будет 0,6…1 В. Можно посмотреть форму и частоту импульсов на вторичной обмотке трансформатора. Там должны быть прямоугольные импульсы со скважностью 50% и частотой 50…100 КГц. Частота определяется номиналами R4, C5.

Если все нормально, убираем временно установленный резистор 1К, включаем последовательно с блоком питания шуруповерта лампу накаливания на 60…100 Вт и включаем все это в сеть. В момент включения лампа кратковременно вспыхнет и погаснет, на выходе должно установиться напряжение около 12 В. Если все работает, убираем лампу и проверяем работу блока под нагрузкой около 1 Ом. Наконец, выбрасываем аккумуляторы, устанавливаем блок питания в корпус и проверяем работу шуруповерта в разных режимах.

Если эта конструкция Вас заинтересовала, можете ознакомиться с вариантами схемы от автора и его рекомендациями по самостоятельному изготовлению трансформатора. Также доступны для скачивания два моих варианта чертежа печатной платы в Sprint Layout.


Блок питания для шуруповерта

Сетевой блок питания для шуруповерта

Автор: К. Мороз, г. Надым

Большой популярностью у любителей и профессионалов пользуются аккумуляторные шуруповерты – надежные, легкие и мощные. Но у них есть существенный недостаток – небольшая емкость аккумуляторной батареи, энергии которой хватает лишь на полчаса интенсивной работы. Далее следует вынужденный перерыв на 3. 4 часа для зарядки батареи. Решение этой проблемы – использование сетевого блока питания, ведь большинство работ выполняют в шаговой доступности от электросети.

Сетевой блок питания шуруповерта должен быть надежным, малогабаритным, легким и удобным для применения хранения и транспортировки. Дополнительное требование к блоку питания, обусловленное спецификой его применения, – падающая нагрузочная характеристика, предотвращающая повреждение электродвигателя шуруповерта во время перегрузки.

Рис. 1

Всем этим требованиям удовлетворяет предлагаемое устройство, схема которого показана на рис. 1 Основа блока питания – “электронный трансформатор” U1 с номинальной выходной мощностью 60 Вт, предназначенный для питания осветительных ламп напряжением 12 В Частота его выходного напряжения – несколько десятков килогерц Такой трансформатор можно приобрести в магазинах электротоваров.

Трансформатор T1 обеспечивает дополнительную гальваническую развязку от сети и тем самым повышает электробезопасность устройства Изменением числа витков его первичной обмотки (I) можно подбирать выходное напряжение блока. Повышенная индуктивность рассеяния способствует формированию падающей нагрузочной характеристики Вторичная обмотка (II) с отводом от середины обеспечивает работу двухполупериодного выпрямителя на сборке из двух диодов Шотки VD1. Потери энергии на диодах в таком выпрямителе вдвое меньше, чем в мостовом. Оксидный конденсатор С1 сглаживает низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения а керамический конденсатор С2 с малой собственной индуктивностью – высокочастотные чем облегчает работу конденсатора С1, учитывая, что двухполупе-риодный выпрямитель удваивает частоту импульсов поступающих с “электронного трансформатора” U1. Резистор R1 задает ток через свето-диод HL1, который сигнализирует о подаче напряжения на шуруповерт. Резисторы R2-R7 – минимальная нагрузка “электронного трансформатора” U1, существенно повышающая надежность его работы так как режим холостого хода для него опасен.

Сетевой блок питания размещен в корпусе резервного аккумуляторного блока питания, как показано на фото (рис. 2) В середине корпуса вертикально установлена алюминиевая пластина толщиной 3 мм Это шасси всего устройства, используемое как общий провод и теплоотвод диодной сборки VD1. Перед установкой теплоотводя-щую поверхность сборки VD1 смазывают пастой КПТ-8. Сборку закрепляют на пластине без изолирующей прокладки С одной стороны пластины установлены трансформаторы и выключатель питания SB1, с другой – остальные детали.

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе К28х16х9 из феррита М2000НМА. Для исключения замыкания витков скругляют острые грани магнитопровода мелкой наждачной бумагой. Затем его изолируют, для чего идеально подходит фторопластовая лента ФУМ. Для увеличения индуктивности рассеяния одна обмотка размещена напротив другой. Первичная обмотка состоит из 16 витков, намотанных в два провода ПЭЛ или ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм. Вторичная обмотка намотана жгутом из четырех таких же проводов и содержит 12 витков. После намотки определяют начало и конец каждого провода жгута, затем провода объединяют в пары, каждую пару соединяют синфазно параллельно, в результате чего образуются половины вторичной обмотки. Начало одной половины соединяют с концом другой, получая отвод вторичной обмотки.

Диодная сборка Шотки VD1 – любая с максимальным прямым током не менее 5 А и обратным напряжением не ниже 40 В, например, КД636 с любым буквенным индексом. В крайнем случае можно установить два обычных кремниевых диода КД213А или КД213Б. Конденсатор С1 – оксидный импортный, С2 – КМ-5а, КМ-56 или другой керамический.

Кнопка SB1 – микропереключатель МПЗ-1. Нежелательно использовать вместо него штатный выключатель шуруповерта как из соображений электробезопасности, так и в связи с тем, что у многих шуруповертов выключатель совмещен с регулятором оборотов электродвигателя. Контакты кнопки SB1 – нормально замкнутые. Толкатель кнопки SB1 выполнен из сгоревшего светодио-да. В днище корпуса предлагаемого устройства часть толкателя выступает наружу. Между толкателем и кнопкой SB1 установлена пружина.

С устройством работают так. Его размещают и фиксируют в корпусе шуруповерта вместо аккумуляторного блока питания. Когда шуруповерт с прикрепленным сетевым блоком питания стоит на подставке или иной ровной поверхности толкатель вдавлен внутрь Усилие его нажатия через пружину передается на кнопку SB1, в результате чего она оказывается в нажатом состоянии, ее контакты разомкнуты блок питания отключен от сети.

Когда шуруповерт берут для выполнения работы, пружина отжимает толкатель кнопки SB1 его выпуклая часть выступает из днища корпуса. Кнопка переходит в ненажатое состояние ее контакты замыкаются и подключают блок питания к сети Шуруповерт готов к работе

Налаживание устройства заключается в отматывании витков первичной обмотки трансформатора Т1 до получения требуемого выходного напряжения 11 14 или 20 В соответственно для шупереходит в ненажатое состояние ее контакты замыкаются и подключают блок питания к сети Шуруповерт готов к работе

Учитывая огромное число находящихся в эксплуатации шуруповертов автор надеется, что предлагаемый блок питания будет весьма востребован, к тому же он дешев и собран из доступных деталей. Его может повторить даже начинающий радиолюбитель.


Почему преобразователи DC-DC ATX такие большие?

Изоляция

, безусловно, требует определенной компоновки платы, И это делает обмотки трансформатора больше.

Но дело не в этом. Ограничивающие факторы для размера -

.
  1. тепловой транспорт («охлаждение»)
  2. размер трансформаторов / индукторов
  3. размер конденсаторов
  4. размер силовых полупроводников

Для 3. напряжение имеет большое значение - конденсатор 220 мкФ, который выдерживает 6 В, подходит для самых маленьких ногтей, тогда как конденсатор 220 мкФ, который выдерживает скачки напряжения, скажем, 500 В, на самом деле большой.Это в основном потому, что слои, изолирующие два электрода, просто должны быть толще, чтобы конденсатор того же размера имел меньшую емкость.

Но вы правы, это «проблема первичной стороны», то есть влияет на несколько конденсаторов в БП.

Теперь, 2. требует размышления о трех вещах:

  • изоляция
  • Амперметрия провода
  • запасенная энергия в магнитном поле.

Если вам нужно иметь дело с обмоткой высокого напряжения, ну, для этого потребуется более толстая / безопасная изоляция вокруг ее проводов.

Если вы решите пропустить всю мощность через одну и ту же вторичную обмотку для понижения напряжения с этого на другие напряжения, что ж, эта обмотка будет пропускать большой ток и, следовательно, потребуются проводники большого диаметра.

И, наконец, если вы не можете спроектировать импульсный источник питания с высокой частотой коммутации, тогда вам нужно сохранить много энергии в индукторах / сердечниках, пока первичный питает питание. Это делает все больше.

С другой стороны, вы не хотите переключать слишком быстро - это увеличивает потери в переключающих транзисторах квадратично, а затем они должны быть больше и выделять больше тепла, для чего вам нужен теплоотвод - вы получаете идея, которая делает вещи больше.

Есть несколько вещей, которые обычно немного сложнее, чем другие:

Подумайте о том, сколько энергии вам нужно сохранить, чтобы иметь возможность выдавать стабильные напряжения даже при падении входного напряжения (что вполне может случиться, особенно при питании автомобиля от 12 В или 24 В!). Вы обнаружите, что легче перейти от 210 до 260 В -> 12 В (потому что небольшая емкость хранит много энергии, и НИКОГДА входной сигнал никогда не упадет ниже выходного), чем перейти от 8 до 16 В. до 12 В. Вам нужно убедиться, что где-то накоплено достаточно энергии, чтобы это работало! Обычно вы найдете там архитектуры с переключением, которые имеют несколько катушек / трансформаторов, чтобы убедиться, что есть промежуточный накопитель энергии, от которого выход всегда может получать питание.Это, конечно, больше в компонентах и ​​означает больше потерь, что означает большее охлаждение, что означает больший размер и вес.

Адаптер

- Почему ноутбукам нужны трансформаторы большего размера, чем мобильные телефоны?

Все современные адаптеры переменного тока или источники постоянного тока представляют собой коммутируемые цепи / системы. В целях безопасности линия переменного тока может быть изолирована с помощью трансформатора. Это высокочастотный трансформатор, поэтому его физические размеры намного меньше.

AC - 50/60 Гц (циклов в секунду). Регуляторы переключения составляют от 50 кГц до мегагерц.Таким образом, изолирующий трансформатор намного меньше. Это причина перехода от массивного трансформатора к гораздо меньшему высокочастотному трансформатору.

Экономия материала (медная обмотка, железный сердечник) и эффективность за счет электронного переключения, что приводит к гораздо более низкой стоимости, гораздо большей энергоэффективности и меньшему размеру.

Здесь та же конструкция, что и у старого трансформатора: «Выходная» сторона (2-я цепь) трансформатора выпрямлена до исходного напряжения постоянного тока. Для наименьшего размера соотношение обмоток трансформатора может составлять 1: 1 (выходное напряжение 110 В переменного тока, США).Высокое напряжение! Или любое другое соотношение для лучшего общего дизайна. Разница: необработанный постоянный ток - это источник постоянного тока только для коммутационной цепи, а не для выхода. Выход коммутируемой схемы является конечным источником постоянного тока.

Коммутируемая схема упрощенная: Когда переключатель включен, необработанный постоянный ток заряжает катушку. В выключенном состоянии исходный постоянный ток отключается от катушки. Теперь, по природе катушки, катушка вытесняет энергию из себя (попробуйте избавиться от нее!). Переключатели на его выводах «случайно» включены и подключены к конденсатору.Катушка передает свою энергию конденсатору. Этот конденсатор является выходным сглаживающим конденсатором постоянного тока, дублируя его в качестве второго накопителя энергии.

Нагрузка на выходе, тем временем, продолжает истощать конденсаторную энергию. Катушка время от времени заряжает конденсатор. Необработанный постоянный ток время от времени пополняет энергию катушки.

В неизолированном корпусе, без трансформатора, и переменный ток 110 В (США) напрямую выпрямлен (опасное высокое напряжение!), Чтобы сформировать исходный постоянный ток (около 120–150 В постоянного тока).

Остальная электроника регулирует выходное напряжение. Когда конденсатор достигает желаемого напряжения, катушка отключается от конденсатора, предотвращая зарядку до все более высокого напряжения. В то же время катушка повторно подключается к необработанному постоянному току для подзарядки. Когда выходная мощность истощается слишком низко, катушка снова подключается к конденсатору, чтобы перезарядить его.

Частота переключения выбрана для получения оптимальных результатов с учетом физического размера, эффективности и стоимости.

Вкратце: Исправить; высокое напряжение постоянного тока; зарядить катушку; сбросить энергию катушки на выходной конденсатор; повторить.

По своей природе коммутационная цепь НЕ изолирована (переключение постоянного тока на постоянное). По крайней мере, один провод общий, прямое соединение от входа к выходу.

Если изоляция не нужна (скажем, внутри закрытого корпуса, такого как лампочка), возможно, нет трансформатора. Изоляция для безопасности, поэтому добавлен трансформатор. Чем ниже частота, тем менее эффективно электромагнитное преобразование.Конечно, при слишком высокой частоте эффективность преобразования начинает падать.) Резюме катушки: Один дополнительный изолирующий трансформатор. По крайней мере, одна катушка для хранения энергии для передачи энергии от входа к выходу.

Дополнительно для пытливого ума: Пропустить катушку! Все, что вам нужно, это переключатель для зарядки выходного конденсатора (режим переключаемого конденсатора!) Непосредственно от необработанного постоянного тока! При достижении желаемого выходного напряжения выключите. Сделанный! Сохраните компонент катушки! Вы скажете: «Не может ли напряжение управлять крышкой»? Хорошо, добавьте токоограничивающий резистор.2. Чем выше напряжение на крышке [или эквиваленте для катушки], тем выше эффективность: V возводится в квадрат. Квадрат 5В = 25. Квадрат 100В = 10000! Сброс 5V на конденсатор / катушку - это всего лишь то, что нужно. Сброс 105V (110V-5Vout) на катушку, ничего себе!]

Руководство по выбору источников питания постоянного тока

Блоки питания постоянного тока

- это блоки питания, которые вырабатывают выходное напряжение постоянного тока. Источники питания - это устройства, которые подают электроэнергию на одну или несколько нагрузок. Они генерируют выходную мощность путем преобразования входного сигнала в выходной сигнал (в данном случае выход постоянного тока).

Состав и работа

Чтобы проиллюстрировать общую структуру блока питания, мы будем использовать типичный блок питания постоянного тока. Базовый источник питания постоянного тока может быть построен с четырьмя цепями (или секциями), как показано на следующей схеме, где каждый блок представляет конкретную цепь, которая выполняет определенную функцию.

Изображение предоставлено: Обучение электриков - Интегрированное издательское дело

Трансформатор - Вход трансформатора - обычно - сигнал переменного тока, который генерируется линейным напряжением, например, мощностью от электрической розетки.Основная функция трансформатора - понижать (понижать амплитуду) или повышать (увеличивать амплитуду) сигнала для получения желаемого уровня постоянного тока, необходимого на выходе источника питания. Трансформатор также играет роль изолятора. Во многих приложениях важно изолировать входной сигнал переменного тока от сигналов, генерируемых внутри устройством.

Выпрямитель - Сигнал на выходе трансформатора подается на выпрямитель. Это устройство выдает выпрямленный пульсирующий сигнал постоянного тока.Выпрямитель может быть однополупериодным или двухполупериодным. Пульсирующий сигнал постоянного тока - это сигнал (напряжение или ток), полярность которого не меняется, но его величина зависит от времени. Типичные выпрямители состоят из диодов и резисторов.

Фильтр - Чтобы преобразовать пульсирующий сигнал постоянного тока в непульсирующий сигнал постоянного тока, необходим фильтр. Обычно достаточно простого конденсаторного фильтра. На выходе фильтра подается постоянное напряжение, которое обычно имеет некоторую пульсацию или небольшие колебания переменного тока.

Регулятор - Регулятор выполняет две функции: (1) сглаживание сигнала от фильтра, производящего сигнал постоянного тока без пульсаций, и (2) создание постоянного напряжения на выходе. Напряжение на выходе регулятора остается постоянным даже при изменении входного напряжения или изменении нагрузки (не показано на схеме).

Чтобы проиллюстрировать четыре этапа или блока, необходимые для создания постоянного напряжения из сетевого напряжения, на следующем рисунке показано преобразование сигнала 115 В (среднеквадратичное значение) в постоянное напряжение 110 В (постоянного тока).

Изображение предоставлено: Обучение электриков - Интегрированное издательское дело

Типы

Источники питания постоянного тока

классифицируются по механизму преобразования и передачи входной мощности в выходную. Выделяют три основные категории:

Линейные источники питания принимают входы переменного тока и обеспечивают один или несколько выходов постоянного тока для широкого спектра компьютерных и промышленных приложений. Они используют активный элемент (обычно силовой транзистор), работающий в своей линейной области, чтобы генерировать желаемое напряжение.Выходное напряжение регулируется путем снижения избыточной входной мощности в омических потерях (тепло) в последовательном диссипативном компоненте (резисторе) или транзисторе. Линейные источники питания обеспечивают отличное регулирование, очень малую пульсацию и очень низкий выходной шум.

Импульсные источники питания используют переключающий элемент или регулятор (обычно силовой транзистор) для генерации желаемого напряжения. Их также называют импульсными продуктами или импульсными источниками питания (SMPS). Эти блоки питания содержат электронные компоненты, которые постоянно включаются и выключаются с очень высокой частотой.Это переключающее действие подключает и отключает устройства накопления энергии (катушки индуктивности или конденсаторы) от входного напряжения источника или выходной нагрузки и от них. Конструкция SMPS обеспечивает высокую плотность мощности (меньший размер при той же выходной мощности) и пониженное энергопотребление (более высокий КПД) по сравнению с линейными источниками питания.

Блоки питания SCR используют топологию кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) для обеспечения хорошо регулируемого выходного напряжения и тока. Выпрямители с кремниевым управлением - это четырехслойные тиристоры с входным управляющим контактом, выходным контактом и катодом или контактом, который является общим для входных и выходных клемм.Схема SCR обычно используется в приложениях, связанных с высокими напряжениями и токами.

Технические характеристики

Для полной характеристики источника питания необходимо множество параметров; однако для большинства типов источников питания существует набор общих параметров. К ним относятся входное и выходное напряжение (указывается в вольтах [В]), выходной ток (в амперах [A]), номинальная выходная мощность (в ваттах [Вт]), частота входного сигнала (в герцах [Гц], килогерцах. [кГц] или мегагерц [МГц]) и регулирование.

  • Входное напряжение - это величина и тип напряжения, приложенного к источнику питания.
  • Входная частота - это частота входного сигнала.
  • Выходное напряжение - величина постоянного напряжения на выходе устройства.
  • Выходной ток - это ток, связанный с выходным напряжением.
  • Выходная мощность - это мощность (в ваттах), передаваемая нагрузке.
  • Правило указывает на стабильность выходного напряжения.
    • Линейное регулирование - это максимальное установившееся значение, на которое изменяется выходное напряжение в результате заданного изменения входного линейного напряжения.
    • Регулировка нагрузки - это максимальное установившееся значение, при котором выходное напряжение изменяется в результате заданного изменения нагрузки.

Монтажные характеристики менее важны, но их следует учитывать при необходимости для правильной подгонки источника питания к приложению или системе.Варианты монтажа включают:

  • Крепление к плате
  • Монтаж цепи
  • Настенное крепление
  • Крепление на DIN-рейку
  • Монтаж в стойку
  • Настольный

Характеристики

Функции для источников питания постоянного тока добавляют такие функции, как защита цепи и охлаждение, что может быть важно для определенных приложений.

Несколько факторов могут повлиять на производительность и / или физическую целостность источников питания постоянного тока.Цепи для защиты источников питания обычно входят в конструкцию устройства. Вот некоторые из них:

  • Защита от короткого замыкания
  • Защита от перегрузки
  • Защита от перегрузки по току
  • Защита от перенапряжения
  • Защита от пониженного напряжения
  • Защита от перегрева

Для защиты источников питания постоянного тока используются несколько методов охлаждения:

  • Вентилятор охлаждения
  • Радиатор охлаждения
  • Водяное охлаждение

Источники питания постоянного тока могут также включать ряд других функций:

  • Резервная батарея
  • с возможностью горячей замены
  • Коррекция коэффициента мощности
  • Температурная компенсация
  • Всепогодный

Чтобы получить более подробный обзор выбора источника питания, посетите Руководство по выбору источников питания на сайте Engineering360.

Изображение предоставлено:

Advantech Corporation


Аудиомиф - «Импульсные блоки питания шумят»

Этот миф выглядит примерно так:

«Коммутационные источники шумят».

«Линейные блоки питания лучше всего подходят для аудио».

Мы не согласны!

Около 5 лет назад Benchmark прекратил использовать линейные блоки питания в наших новых продуктах, и мы заменили их импульсными блоками питания.Мы сделали это, потому что линейные источники слишком шумны. Да, вы правильно прочитали, линейные источники питания шумят! Хорошо спроектированный импульсный источник питания может быть намного тише линейного источника питания.

Линейные источники питания Причина шума

Проблема шума возникает из-за того, что линейные источники питания имеют большие трансформаторы и другие магнитные компоненты, которые работают при частоте сети переменного тока (от 50 Гц до 60 Гц). Эти линейные частоты слышны, и мы все слишком хорошо знакомы с гудением и гудением, которое может производить аудиопродукция.Не секрет, что этот шум вызван блоком питания, но мало кто понимает, почему его так сложно устранить. Большинство людей думают, что гудение вызвано кондуктивными помехами (пульсация переменного тока на шинах источника питания), но это случается редко. В большинстве случаев гудение переменного тока вызвано магнитными помехами, и его очень трудно устранить.

Жужжание обычно вызывается магнитными помехами

Трансформаторы магнитные устройства. Мощность передается магнитным способом между входной и выходной обмотками трансформатора.В линейном источнике питания мощность передается со стороны линии переменного тока трансформатора на сторону низковольтной вторичной обмотки с использованием магнитного поля с частотой сети переменного тока. К сожалению, трансформаторы никогда не бывают идеальными, и некоторая энергия всегда уходит через магнитные поля рассеяния. Эти паразитные поля могут создавать помехи практически каждому электрическому проводнику в аудиоустройстве. Магнитное экранирование стоит дорого и имеет ограниченную эффективность, когда чувствительные цепи расположены в непосредственной близости от сильного поля.

Усилители мощности - худшие нарушители

Источники питания в мощных устройствах, таких как усилители мощности звука, могут излучать очень сильные магнитные поля. Эти сильные поля имеют тенденцию ограничивать шумовые характеристики (SNR) усилителей мощности. Эти магнитные поля также могут создавать помехи для аудиотехники, которая находится слишком близко к усилителю. Аудиокабели, входящие, выходящие или проходящие рядом с усилителем, также могут улавливать нежелательный гул и гудение. По этой причине обычно очень важно держать усилитель мощности отдельно от кабелей и других компонентов аудиосистемы.

Нарушая все правила!

Новый усилитель мощности AHB2

Benchmark нарушает правила. Его можно даже расположить рядом с чувствительными аудиокомпонентами, не создавая помех! AHB2 - мощное устройство, но почти не излучает магнитных помех. Что отличает его?

Секрет внутри AHB2 - это импульсный источник питания. В этом источнике питания есть несколько мощных трансформаторов, но они очень малы, и их паразитные магнитные поля соответственно малы.Причина этого в том, что магнетики работают на частотах от 200 кГц до 500 кГц. Для данной номинальной мощности размер трансформатора уменьшается с увеличением рабочей частоты. У высокочастотных трансформаторов меньше сердечников и меньше витков провода. По мере уменьшения физического размера происходит соответствующее уменьшение силы паразитного магнитного поля.

имеет значение

Когда трансформаторы физически малы, есть больше возможностей для магнитного экранирования. Например, небольшие трансформаторы, используемые в AHB2, полностью заключены в ферритовый материал, который помогает сдерживать паразитные магнитные поля.Эти методы настолько эффективны, что AHB2 достигает отношения сигнал / шум от 130 до 135 дБ. Нет усилителя мощности тише, чем AHB2. Еще более удивительным является тот факт, что плата импульсного источника питания находится менее чем на дюйм над платой усилителя. Этот продукт доказывает, что импульсные источники питания могут быть очень тихими! AHB2 не смог бы достичь такого уровня производительности с линейным источником питания, если бы источник питания не был размещен в совершенно отдельной коробке в паре футов от него.

Внеполосный шум

Одним из основных преимуществ переключения источников питания является то, что рабочая частота превышает диапазон человеческого слуха.Если возникнут помехи, они не вызовут звуковых помех. Эти помехи можно даже удалить с помощью фильтра, не затрагивая звуковой диапазон. Но блок питания в AHB2 настолько тихий, что нам не нужно фильтровать выходной аудиосигнал. AHB2 обеспечивает полосу пропускания 200 кГц без каких-либо заметных шумов переключения с пределом измерения 500 кГц.

Линейное усиление с коммутационными блоками

Обратите внимание, что AHB2 - это , а не - коммутирующий усилитель класса D.AHB2 - это линейный усилитель класса AB. В коммутируемом режиме работают только блоки питания. Источники питания просто обеспечивают стабильное и постоянное регулируемое напряжение постоянного тока для линейного аудиоусилителя.

КПД

Еще одно важное преимущество импульсных источников питания - их высокая эффективность. Блок питания в AHB2 обеспечивает КПД более 90%. Это означает, что на тепло теряется очень мало энергии.

В линейных источниках питания большое количество энергии может теряться в схемах регулятора напряжения.Напротив, импульсные источники питания могут обеспечивать стабильные, регулируемые выходы постоянного тока без потребления дополнительной энергии.

Преимущества Положения

Большинство традиционных усилителей мощности имеют нерегулируемые линейные источники питания. Регулирование опущено, чтобы сэкономить электроэнергию и уменьшить нагрев. Отрицательным последствием этого является то, что шины мощности проседают с каждым музыкальным пиком. В традиционных конструкциях большие батареи конденсаторов подключаются к шинам напряжения, чтобы уменьшить это падение напряжения до приемлемого уровня.Тем не менее, когда эти традиционные усилители сильно загружены, часто наблюдается значительное увеличение искажений (THD).

Напротив, AHB2 имеет строго регулируемый источник питания. Это означает, что плата усилителя в AHB2 видит постоянное напряжение постоянного тока, которое не проседает, когда усилитель набирает мощность. AHB2 не нуждается в массивных батареях конденсаторов и не имеет их, потому что источник питания отвечает динамическим требованиям музыки. Это помогает предотвратить рост искажений при работе с большими нагрузками, что является одной из причин, по которой значения THD 8 Ом, 4 Ом и 2 Ом для AHB2 практически идентичны.

Коммутационные источники должны быть оптимизированы для аудио приложений

Это обсуждение было бы неполным, если бы не указывалось, что многие коммутационные блоки являются шумными. Более старые конструкции и недорогие конструкции, как правило, используют более низкие частоты переключения, которые находятся в пределах слышимых частот. В эту категорию попадают многие небольшие зарядные устройства для мобильных телефонов и компьютеров. Эти устройства могут вызывать помехи при размещении в непосредственной близости от аудиокомпонента или кабеля.

Коммутационные источники, используемые в продуктах Benchmark, специально оптимизированы для аудиоприложений.Эти коммутационные источники намного тише, чем традиционные линейные источники аналогичного размера.

Импульсный источник питания в усилителе мощности AHB2

AHB2 - это линейный усилитель мощности с импульсным блоком питания. Насколько нам известно, у него самый высокий SNR среди всех звуковых усилителей мощности. Соотношение сигнал / шум по шкале А составляет 132 дБ в стереорежиме и 135 дБ в монофоническом режиме. Это на 15–30 дБ лучше, чем у большинства лучших усилителей мощности. Такой низкий уровень шума был бы невозможен с линейным источником питания.Линейный источник питания создавал бы сильные магнитные поля линейной частоты, которые создавали бы низкоуровневый гул и гудение, связанные с линией. Эти магнитно-индуцированные линейные помехи ограничивают шумовые характеристики большинства усилителей мощности. Обратите внимание, что магнитные помехи не излучаются. Это означает, что его нельзя удалить конденсаторами фильтра. Добавление фильтров к линейному источнику питания не устранит гудение и гудение от усилителя мощности.

В AHB2 магнитные компоненты (трансформаторы и катушки) полностью заключены в сердечники ферритовых горшков.Это серые цилиндрические объекты (с проводами), показанные на фото выше. Эти мощные магнитные устройства очень малы из-за высокой рабочей частоты. Напряженность магнитного поля соответственно мала и намного превышает звуковые частоты. Небольшой размер также позволяет встраивать магнитные устройства внутри сердечников ферритовых горшков. Эти ферритовые сердечники полностью герметизируют катушки и значительно уменьшают паразитные магнитные поля.

В AHB2 используется конструкция с резонансным переключением, что значительно снижает шум переключения.Коммутационные транзисторы установлены на алюминиевых стержнях, которые передают тепло к внешним радиаторам.

Источником питания является верхняя плата шасси AHB2 (показано выше). Импульсный источник питания устанавливается всего на 1 дюйм выше платы аналогового усилителя. В пространстве между двумя досками можно увидеть пластину магнитного экранирования. Эта пластина достаточно эффективна для экранирования низкоуровневых высокочастотных магнитных полей, создаваемых импульсным источником питания, но имела бы небольшую ценность, если бы источник питания работал на частотах сети переменного тока.

Еще одно преимущество использования импульсного источника питания в усилителе мощности заключается в том, что регулировка напряжения не увеличивает рассеиваемую мощность усилителя. AHB2 имеет регулируемые источники питания (очень необычная особенность усилителя мощности). Регулировка помогает снизить THD. Насколько нам известно, ни один усилитель мощности не имеет более низких THD, чем AHB2. Опять же, это во многом связано с использованием импульсного источника питания.

Небольшой ряд конденсаторов на передней панели платы блока питания формирует основную часть емкости на выходах блока питания.Это намного меньше емкости, чем потребовалось бы при нерегулируемом питании. Импульсный источник питания в AHB2 имеет контур регулирования, который может реагировать на звуковых частотах. Это позволяет регулятору реагировать на музыкальные пики в реальном времени. Пиковые токи по запросу берутся из линии переменного тока, а не за счет энергии, накопленной в батарее конденсаторов.

Измерение магнитного излучения AHB2

На следующих двух фотографиях показано, как измерялось магнитное излучение AHB2.Эти измерения подтвердили, что выбросы чрезвычайно низкие. Любое аудиоустройство можно разместить непосредственно над или под AHB2 в стойке для оборудования без риска возникновения магнитных помех.

Видеодемонстрация - Увидеть - значит поверить!

Два месяца назад мы выпустили видео, демонстрирующее магнитную стойкость микрофонных кабелей типа «звезда-четверка». Мы подвергли кабели воздействию паразитных магнитных полей, создаваемых различными источниками питания, включая довольно шумные недорогие коммутационные блоки.Мы также подвергли кабели воздействию полей, создаваемых DAC1 и DAC2. ЦАП1 создавал магнитные помехи, а ЦАП2 - нет. Различия? DAC2 имеет импульсный источник питания, оптимизированный для аудио приложений, в то время как DAC1 имеет традиционный линейный источник питания. На видео видно, что импульсный блок питания в DAC2 намного тише, чем линейный блок питания в DAC1. Сравнение даже не близко! Иногда увидеть - значит поверить!

Посмотрите короткий отрывок из этого видео и помогите развенчать еще один аудио миф!

Это примечание по применению было отредактировано 16 июня 2017 г. с целью добавления фотографий и описания импульсного источника питания в усилителе мощности AHB2.- JS

Усилители: Блок питания

Если заглянуть внутрь усилителя, можно легко распознать источник питания. Большинство источников питания в усилителях описываются как источники питания с конденсаторным входом. Описание ниже представляет собой обзор.
1 Большой сетевой транзистор Toroidal или EI.
1 Мостовой выпрямитель
2 Конденсаторы электролитические

Сетевой трансформатор имеет первичную обмотку и две изолированные вторичные обмотки. Сетевой трансформатор понижает 110 В или 240 В переменного тока до 2 равных более низких значений переменного напряжения.Мощность трансмиссии прямо пропорциональна ее физическим размерам. Однако трансформатор на 200 Вт описывается как 200 ВА, а не 200 Вт. (Вольт x Ампер = Ватт). Причина, по которой мощность трансформатора описывается в ВА, а не в ваттах, подробно описана ниже. sound.whsites.net / Трансформеры

Железный сердечник может иметь форму тороидального пончика или квадратную форму, обозначенную как EI. Железный сердечник состоит из тонких слоев кремнистой мягкой стали, которая обладает превосходной способностью проводить магнитную энергию, не сохраняя намагниченности.Поэтому его можно попеременно намагничивать N-S и S-N со скоростью 50 или 60 раз в секунду. 220–240 В переменного тока, 50 Гц, Великобритания, Австралия, Европа или 110 В, переменного тока, 60 Гц, США, Канада и т. Д.

Распространенное заблуждение состоит в том, что тороидальные трансформаторы более эффективны, чем квадратные трансформаторы с ЭУ, но это не так. При той же массе квадратный транзистор ЭУ будет немного более мощным и лучше регулируемым, но трансформаторы ЭУ излучают извне магнитное поле переменного тока, которое может вызвать вихревые токовые петли в шасси и близлежащие компоненты, вызывая проблемы с шумом.Трансы EI дешевле. Тороидальные трансформаторы дороже в производстве. Основным преимуществом Toroidal является то, что они излучают практически нулевое внешнее магнитное поле, поэтому хорошо подходят для звуковых усилителей.

Традиционный способ рисования источника питания - слева направо. Пример трансмиссии на рисунке ниже ясно показывает, что первичная и вторичная обмотки полностью изолированы друг от друга. Первичная изоляция вторичной обмотки также важна для электробезопасности.Напряжение переменного тока на вторичной обмотке просто регулируется соотношением витков первичной и вторичной обмоток. Например, если первичная обмотка имеет 1000 витков, а вторичная - 100 витков (соотношение 10: 1) 240 В переменного тока на первичной обмотке приведет к 24 В переменного тока на вторичной. Масса медного провода на первичной и вторичной обмотках должна быть примерно одинаковой.
Первичная мощность 240 Вт при 240 В переменного тока = 1 ампер.
Вторичный 240 Вт при 24 В перем. Тока = 10 ампер.
Следовательно, калибр вторичного провода должен быть большего диаметра, чтобы проводить ток 10 ампер.Приведенное описание является ориентировочным, однако в реальном трансформаторе есть потери эффективности, которые необходимо рассчитать. Потеря эффективности магнитной связи между первичной и вторичной обмотками плюс сопротивление длины провода во всех обмотках, которое необходимо отрегулировать в соотношении витков.

Мостовой выпрямитель (мост) преобразует 24 В переменного тока в постоянный. Электролитические конденсаторы похожи на аккумуляторные батареи, которые можно почти мгновенно заряжать и разряжать повторно в течение неопределенного периода времени.

Блок питания должен быть механически подключен в точном порядке, показанном на рисунке выше. Две вторичные обмотки включены последовательно. Точка, где они соединяются, называется CT (Center Tap). ТТ подключается непосредственно к стыку двух выборщиков. Только от места соединения выборщиков трансформатор тока подключается к шасси. Если ТТ был подключен к шасси на трансформаторе, в усилитель можно было бы ввести петлю наведенного шума. Также шины питания должны быть подключены непосредственно к клеммам Избирателей, а не от Моста.Порядок механической проводки исключительно важен для источников питания. У многих ранних усилителей музыкальных инструментов были проблемы с петлей гула, вызванные внешним магнитным полем трансмиссий EI и механической разводкой источника питания.

Мостовой выпрямитель имеет 4 диода. Мост может быть как единый блок с 4 внутренними диодами или 4 отдельными диодами. Диоды расположены по порядку, так что независимо от того, в каком направлении полярность напряжения появляется на стыке каждой пары диодов, от переменного тока или вращающейся батареи, 2 диода будут в прямом направлении, указывая на конец -V примера переменного тока. вращающийся аккумулятор, а 2 диода будут в обратном направлении (обрыв цепи).Полярность на шинах питания всегда будет одинаковой и, следовательно, правильной. Помните, что на каждом диоде в прямом направлении есть потери 0,65 В (650 мВ).

Одна первичная обмотка используется редко из-за разного напряжения сети переменного тока во всем мире. Поэтому большинство сетевых трансформаторов имеют две первичные обмотки, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Для стран с переменным током 110 В 60 Гц, США, Канады и т. Д. Две первичные обмотки подключены параллельно. Для стран с переменным током 220 В или 240 В, 50 Гц, Европа, Великобритания, Австралия и т. Д. Две первичные обмотки соединены последовательно.

На рисунке выше показано, как 24 В переменного тока преобразуется в питание + V (наоборот, для питания -V). Пики + V синусоидальной волны появляются 50 или 60 раз в секунду (50 Гц или 60 Гц), каждый из которых составляет 20 мс или 16,6 мс.
мСм = миллисекунда.

Мостовой выпрямитель меняет полярность -V половины синусоидальной волны, поэтому пики + V появляются 100 или 120 раз в секунду (100 Гц или 120 Гц), каждый из которых составляет 10 мс или 8,3 мс.

Теперь это называется пульсирующим постоянным током.

Электролитический конденсатор заряжается (как аккумулятор) до пика каждой +1/2 синусоидальной волны.Когда пульсирующий постоянный ток падает обратно до нуля, электролитический конденсатор обеспечивает питание усилителя. Конденсатор начинает разряжаться с + 32 В до + 28 В, что составляет 4 В (12,5%). Это называется пульсационным напряжением и не должно уменьшаться менее чем на 10%.

Однако через 10 мс или 8,3 мс следующий пик + V 1/2 синусоидальной волны заряжает конденсатор снова, снова и снова. Если внимательно посмотреть на рисунок, то каждый цикл зарядки происходит в течение очень небольшого периода времени, примерно от 1 мс до 0.8 мс. Это небольшое время зарядки называется рабочим циклом. Кроме того, только в течение этого короткого времени питание подается от сетевого трансформатора. Время зарядки рабочего цикла составляет только 1/10 каждого цикла, поэтому зарядный ток в Амперах должен быть в 10 раз больше, чем среднее значение, подаваемое на усилитель от конденсатора.

Когда на динамик не подается питание, пульсация уменьшается почти до нуля и увеличивается только с током в Амперах, требуемым для источника питания.Увеличение размера конденсатора снижает пульсации напряжения. Как правило, 2000 мкФ - это минимальное значение для каждого 1 ампера тока. Блоку питания, который должен обеспечивать 5 ампер, потребуется конденсатор емкостью 10 000 мкФ. Очевидно, что чем больше конденсатор, тем лучше.

Поскольку источник питания заряжает конденсаторы только на пике каждого цикла только 1/10 времени, это означает, что общий КПД источника питания с конденсаторным входом составляет около 70%. Это также означает, что сетевой трансформатор мощностью 200 ВА (200 Вт) сможет обеспечить только около 0.707 от его номинальной стоимости. Если эффективность усилителя составляет примерно 70%, а эффективность источника питания составляет примерно 70%, тогда мощность, потребляемая от сети 110 В или 240 В, будет как минимум в 2 раза больше, чем мощность, подаваемая на динамик.

Однако, поскольку усилитель не может работать с музыкой, превышающей 1/3 его мощности с помощью синусоидальной волны, размер источника питания не обязательно должен превышать его полную номинальную мощность в динамике. Блок питания очень большого размера имеет лучшее регулирование питания шины + - V.Единственный минус большого блока питания - масса. Масса обычного блока питания будет немного меньше 1 кг / 100 ВА (Вт).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности - это Вольт x Ампер = Ватт. Это может показаться очевидным, но когда переменный ток преобразуется в постоянный, чтобы получить питание + - В, коэффициент мощности требует внимания и дальнейшего понимания. Начнем с простой батарейки и лампочки.

1V5 x 0A = 0 Вт. Обрыв в цепи аккумулятора.максимум V, но 0 ампер.
1V5 x 1A = 1,5 Вт. С лампочкой поперек батареи
0V x ∞A = 0 Вт. Отверткой через батарею 0 В, но максимум Ампер.

Вольт без ампер и Ампер без Вольт дает 0 Вт. Электронное описание: Вольт и Ампер не совпадают по фазе друг с другом. Степень смещения фаз V и A приводит к снижению мощности в ваттах. Фаза коэффициента мощности - это глубокое исследование в электронике.Надеюсь, упрощенного объяснения на этой странице достаточно, чтобы получить общее представление.

1V5 x 0A = 0 Вт. V A сдвинут по фазе на -90 градусов.
1V5 x 1A = 1,5 Вт. V A находится в фазе.
0V x ∞A = 0 Вт. V A сдвинут по фазе на +90 градусов.

В источнике питания с «конденсаторным входом» ток в Амперах от вторичной обмотки сети через мостовой выпрямитель заряжает электролитический конденсатор только в течение 10% времени.Следовательно, амперы и напряжение находятся в фазе только 10% времени в течение всего цикла синусоидальной волны. Этот 10% коэффициент мощности отражается обратно через первичную обмотку в сеть 110 В 240 В переменного тока.

Осциллограф на правом рисунке показывает плоские вершины на системе электропитания. Это результат большого количества источников питания «конденсаторного входа» всего электронного оборудования, подключенного к сети переменного тока. Получение тока только от 10% синусоидальной волны сетевого питания вместо постоянного протекания тока через синусоидальную волну создало большие проблемы регулирования мощности сети во всем мире.

Импульсный источник питания

Многие бытовые электроприборы, холодильники, паровые утюги и электрические духовки просто управляются путем включения и выключения. По мере того, как холодильник нагревается, он включается, пока не остынет, затем снова выключается и так далее. Электрические духовки и паровые утюги работают наоборот. Время включения по сравнению с временем включения и есть рабочий цикл. Рабочий цикл измеряется как% времени включения по сравнению со временем выключения.Холодильник с постоянно открытой дверцей будет иметь рабочий цикл 100%. При закрытой двери рабочий цикл может составлять всего 10% в зависимости от качества изоляции. Холодильник может быть включен на 5 минут, выключен на 50 минут и так далее, чтобы поддерживать низкую температуру. Чем больше временной интервал (тактовая частота) рабочего цикла, тем больше будет разница температур между включением и выключением. Самое быстрое время, в течение которого холодильник может включаться и выключаться, составляет около 1 минуты. Следовательно, его тактовая частота составляет 1 минуту.Если бы у холодильника была более высокая тактовая частота 1 секунда (1 Гц), чтобы его можно было включать на 1 секунду и выключать на 10 секунд, поддерживая тот же рабочий цикл, равный 10%, температура могла бы регулироваться более равномерно.

При использовании обычного источника питания с конденсаторным входом частота сети 50 Гц или 60 Гц может быть описана как тактовая частота. Тактовая частота 50 Гц или 60 Гц очень низкая и является причиной большой пульсации в шинах питания. Если бы частота сети составляла 1 кГц, пульсации на шинах питания практически не было бы.Импульсные источники питания в компьютерах и большинстве домашних развлекательных систем DVD-диски, комплекты вилок и т. Д. Имеют тактовую частоту от 25 кГц до 100 кГц. В импульсном блоке питания компьютера не используется большой силовой трансформатор. Преимущество импульсного источника питания заключается в меньшей массе, но его схема чрезвычайно сложна и практически не обслуживается.

Сетевое напряжение подается через фильтр электромагнитных помех EMI в мостовой выпрямитель или выпрямитель с удвоением напряжения VD и преобразуется непосредственно в постоянный ток.Большинство импульсных источников питания рассчитаны на работу в диапазоне от 280 В до 340 В постоянного тока.
Сеть 240 В переменного тока x 1,414 = 340 В постоянного тока с мостовым выпрямителем.
Сеть 110 В переменного тока x 1,414 x 2 = 310 В постоянного тока с выпрямлением удвоителя напряжения.

Фильтр электромагнитных помех предотвращает попадание шума переключения Rf (радиочастоты), генерируемого импульсным источником питания, обратно в систему питания 110 В 240 В, влияя на другое оборудование, подключенное к сети. Существуют строгие международные правила, регулирующие максимальный радиочастотный шум в диапазоне радиочастот, которому должна соответствовать электронная продукция.Это правило называется C-tic.

(1) Выпрямленное напряжение сети около 300 В постоянного тока включается и выключается через трансформатор. MOS-FET действует как переключатель. Скорость переключения может составлять от 25 кГц до 100 кГц. ШИМ (широтно-импульсный модулятор) регулирует рабочий цикл частоты переключения, который подобен прямоугольной волне с переменной шириной. Трансформатор специально разработан для переключения частот около 50 кГц. Высокочастотные трансформаторы очень малы и поэтому имеют небольшую массу.

(2) Вторичная обмотка трансформатора снижает коммутируемые импульсы переменного тока до более низкого напряжения, а также изолирует сеть для обеспечения электробезопасности. Затем диод преобразует вторичные импульсы в требуемую полярность. Вторичный электролитический конденсатор сглаживает импульсы постоянного тока 50 кГц до почти идеально плавного питания постоянного тока.

(3) Вторичное напряжение возвращается в компаратор внутри широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Затем ШИМ автоматически регулирует ширину (рабочий цикл) импульсов включения и выключения для силового MOS-FET, который действует как высокочастотный переключатель, управляя током в Амперах через первичную обмотку высокочастотного трансформатора, который, в свою очередь, корректирует напряжение на вторичной обмотке, чтобы гарантировать точное выходное напряжение постоянного тока.

Высокая частота коммутации дает импульсному источнику питания уникальное преимущество, заключающееся в обеспечении почти идеального, плавного и регулируемого источника постоянного тока без пульсаций, которое не снижается по напряжению, поскольку требуется дополнительный ток.

Однако импульсные источники питания чрезвычайно сложны. Технология высокой частоты переключения находится в диапазоне радиочастот RF. Это вызывает серьезные проблемы при техническом управлении ограничением радиочастотного излучения от дорожек печатной схемы и соединительных проводов внутри схемы, попадающих во внешний мир и вызывающих загрязнение радиочастотным шумом в радио и телевидении.Кроме того, работа схемы чрезвычайно хрупкая, и если возникает какая-либо неисправность (независимо от ее размера), она загрязняет почти каждый сектор схемы.

Импульсные блоки питания

не обслуживаются пользователем, сбои решаются просто путем вырубки блока питания и покупки нового. Об обслуживании импульсного блока питания практически не может быть и речи, за исключением фанатиков, у которых есть бесконечное время.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *