Многие собирают различные радиоэлектронные конструкции и для их использования иногда требуется мощный источник питания. Сегодня расскажу вам, как с выходной мощностью 250 ватт, и возможностью регулировки напряжения от 8 до 16 вольт на выходе, из блока ATX модели FA-5-2.
Преимуществом этого БП является защита по выходной мощности (то есть от КЗ) и защита по напряжению.
Переделка блока ATX будет состоять из нескольких этапов
1. Для начала выпаиваем провода, оставляем только серый, чёрный, жёлтый. Кстати, чтобы включить данный блок нужно замкнуть на массу не зелёный (как в большинстве блоков ATX), а серый провод.
2. Выпаиваем из схемы детали, которые стоят в цепях +3.3в, -5в, -12в (+5 вольт пока не трогаем). То что убрать показано красным, а что переделывать - показано синим на схеме:
3. Далее выпаиваем (убираеи) цепь +5 вольт, диодную сборку в цепи 12в заменить на S30D40C (взятую из цепи 5в).
Ставим подстроечный резистор и переменный резистор со встроенным выключателем так, как показано на схеме:
То есть так:
Теперь включаем в сеть 220в и замыкаем серый провод на массу, предварительно поставив подстроечный резистор в среднее положение, а переменный в положение при котором на нём будет наименьшее сопротивление. На выходе напряжение должно быть около 8 вольт, увеличивая сопротивление переменного резистора напряжение будет увеличиваться. Но не спешите поднимать напряжение, так как у нас пока нет защиты по напряжению.
4. Делаем защиту по мощности и по напряжению. Добавляем два подстроечных резистора:
5. Индикаторная панель. Добавляем пару транзисторов, несколько резисторов и три светодиода:
Зелёный светодиод загорается при включении в сеть, жёлтый - при наличии напряжения на выходных клемах, красный - при срабатывании защиты.
Можно также встроить вольтамперметр.
Настройка защиты по напряжению в блоке питания
Настройка защиты по напряжению выполняется следующим образом: резистор R4 скручиваем в сторону где подсоединена масса, R3 ставим на максимум (большее сопротивление), затем вращая R2 добиваемся нужного нам напряжения - 16 вольт, но ставим на 0.2 вольта больше - 16.2 вольта, медленно поворачиваем R4 до срабатывания защиты, выключаем блок, немного уменьшаем сопротивление R2, включаем блок и увеличиваем сопротивление R2 до получения на выходе 16 вольт. Если при последней операции сработала защита, то вы пересторались с поворотом R4 и придётся всё повторять заново. После настройки защиты лабораторный блок полностью готов к использованию.
За последний месяц сделал уже три таких блока, каждый обошёлся мне примерно в 500 рублей (это вместе с вольтамперметром, который собирал отдельно за 150 рублей). А один БП продал, как зарядку для машинного аккумулятора, за 2100 рублей, так что уже в плюсе:)
С вами был Пономарёв Артём (stalker68), до новых встреч на страницах Технообзора!
Линейный и импульсный источники питания
Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.
Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.
Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.
Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.
В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).
Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.
Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.
Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.
⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX
БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.
На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:
- фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
- первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
- основной трансформатор;
- вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).
⇡ Фильтр ЭМП
Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.
Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).
Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.
В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.
В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.
Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.
Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.
Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.
⇡ Входной выпрямитель
После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.
⇡ Блок активного PFC
В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.
Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).
Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.
Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!
У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.
В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.
Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).
Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.
Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.
⇡ Основной преобразователь
Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.
| Транзисторы | Диоды | Конденсаторы | Ножки первичной обмотки трансформатора | |
| Single-Transistor Forward | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 2 | 2 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 2 | 2 | |
| 4 | 0 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 0 | 3 |
Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.
|
Single-Transistor Forward |
|
|
|
|
|
|
⇡ Вторичная цепь
Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.
Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.
ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.
Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.
Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.
В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.
Выходной фильтр
Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.
В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.
⇡ Дежурное питание +5VSB
Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).
⇡ Методика тестирования блоков питания
Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.
Цвет точки означает процент отклонения:
- зеленый: ≤ 1%;
- салатовый: ≤ 2%;
- желтый: ≤ 3%;
- оранжевый: ≤ 4%;
- красный: ≤ 5%.
- белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).
Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.
Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).
Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.
Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.
В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.
Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.
Со скуки решил сделать старый «фокус» из вышедшего на покой компьютерного блока питания ATX 450W, сделать автономный блок питания (БП), например для радиостанции. Блок питания запускался, 12 В. выдавал, значит с ним все не так страшно. Осталось убрать лишнее, добавить необходимое и продлить ему жизнь.
Хотел по подробней заснять весь процесс, но был один, делать и фоткать не получалось.
Характеристики БП вполне приличные, что бы за питать достаточного мощного 12 вольтового потребителя, например радиостанцию.
Вскрываем блок питания и смотрим какие у него проблемы и что там у нас лишнее.
После очистки выяснилось, что высохла емкость на выход 5В., это напряжение нам вообще не нужно, его проще удалить.
Убираем заодно и все провода, со всем разъемами, так много их теперь не нужно.
Черные провода это у нас МИНУС, Желтые + 12 В.. Ну а остальное не важно, пожалуй кроме Зеленого провода, он нам пригодится. Выпаиваем всё лишние, тут кстати очень пригодится паяльник на 150 Ватт. 🙂
Зеленый провод запускает БП из режима «Standby», его в последствии надо замкнуть на минус, туда к черным проводам. Иначе блок питания не запустится.
Ну вот плата от лишнего расчищена, Зеленый
провод на месте, из толстых проводов готовим хвостики под клемники, для плюса и минуса.
Проводов нужного сечения в жгуте блока питания не было, хорошо подошли провода для аккумулятора из сгоревшего UPS.
Вот нашел клемники и заодно готовлю светодиод индикации работы БП, это всегда пригодится.
Распаиваем выходные провода и светодиод, делаем предварительный запуск, мало ли что могло случится пока ковырялся на плате.
Осталось разметить отверстия, все просверлить и собрать, навести красоту.
Свободные места в корпусе нашлись, сверло на 8 мм. и все практически готово.
Собираем протягивает, заливаем термоклеем, то что может отвинтится, укладываем провода, впереди поверка и небольшие испытания.
Холостой ход в норме, все стабильно, напряжение 12,3 В.. Можно конечно покопаться и добавить регулировку напряжения в небольшом диапазоне до 14 В.. Но все и так в пределах допустимого, а время уже к концу рабочего дня.
Подключена Моторола GM 340, стоит на передаче, ток 5 А. Для экономного варианта, из БУ, совсем без денег, получился не плохой блок питания. Который еще послужит на пользу человечеству, а не будет просто валяться или разобран за запчасти.
С таким же успехом, можно сделать выводы на напряжения 5В. и 3,3В.
В современном мире развитие и устаревание комплектующих персональных компьютеров происходит очень быстро. Вместе с тем один из основных компонентов ПК – форм-фактора ATX – практически не изменял свою конструкцию последние 15 лет .
Следовательно, блок питания и суперсовременного игрового компьютера, и старого офисного ПК работают по одному и тому же принципу, имеют общие методики диагностики неисправностей.
Материал, изложенный в этой статье, может применяться к любому блоку питания персональных компьютеров с минимумом нюансов.
Типовая схема блока питания ATX приведена на рисунке. Конструктивно он представляет собой классический импульсный блок на ШИМ-контроллере TL494, запускающемся по сигналу PS-ON (Power Switch On) с материнской платы. Все остальное время, пока вывод PS-ON не подтянут к массе, активен только источник дежурного питания (Standby Supply) с напряжением +5 В на выходе.
Рассмотрим структуру блока питания ATX подробнее. Первым ее элементом является
:
Его задача – это преобразование переменного тока из электросети в постоянный для питания ШИМ-контроллера и дежурного источника питания. Структурно он состоит из следующих элементов:
- Предохранитель F1 защищает проводку и сам блок питания от перегрузки при отказе БП, приводящем к резкому увеличению потребляемого тока и как следствие – к критическому возрастанию температуры, способному привести к пожару.
- В цепи «нейтрали» установлен защитный терморезистор, уменьшающий скачок тока при включении БП в сеть.
- Далее установлен фильтр помех, состоящий из нескольких дросселей (L1, L2 ), конденсаторов (С1, С2, С3, С4 ) и дросселя со встречной намоткой Tr1 . Необходимость в наличии такого фильтра обусловлена значительным уровнем помех, которые передает в сеть питания импульсный блок – эти помехи не только улавливаются теле- и радиоприемниками, но и в ряде случаев способны приводить к неправильной работе чувствительной аппаратуры.
- За фильтром установлен диодный мост, осуществляющий преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Пульсации сглаживаются емкостно-индуктивным фильтром.
Источник дежурного питания – это маломощный самостоятельный импульсный преобразователь на основе транзистора T11, который генерирует импульсы, через разделительный трансформатор и однополупериодный выпрямитель на диоде D24 запитывающие маломощный интегральный стабилизатор напряжения на микросхеме 7805. Эта схема хотя и является, что называется, проверенной временем, но ее существенным недостатком является высокое падение напряжения на стабилизаторе 7805, при большой нагрузке приводящее к ее перегреву. По этой причине повреждение в цепях, запитанных от дежурного источника, способно привести к выходу его из строя и последующей невозможности включения компьютера.
Основой импульсного преобразователя является ШИМ-контроллер . Эта аббревиатура уже несколько раз упоминалась, но не расшифровывалась. ШИМ – это широтно-импульсная модуляция, то есть изменение длительности импульсов напряжения при их постоянной амплитуде и частоте. Задача блока ШИМ, основанного на специализированной микросхеме TL494 или ее функциональных аналогах – преобразование постоянного напряжения в импульсы соответствующей частоты, которые после разделительного трансформатора сглаживаются выходными фильтрами. Стабилизация напряжений на выходе импульсного преобразователя осуществляется подстройкой длительности импульсов, генерируемых ШИМ-контроллером.
Важным достоинством такой схемы преобразования напряжения также является возможность работы с частотами, значительно большими, чем 50 Гц электросети. Чем выше частота тока, тем меньшие габариты сердечника трансформатора и число витков обмоток требуются. Именно поэтому импульсные блоки питания значительно компактнее и легче классических схем с входным понижающим трансформатором.
За включение блока питания ATX отвечает цепь на основе транзистора T9 и следующих за ним каскадов. В момент включения блока питания в сеть на базу транзистора через токоограничительный резистор R58 подается напряжение 5В с выхода источника дежурного питания, в момент замыкания провода PS-ON на массу схема запускает ШИМ-контроллер TL494. При этом отказ источника дежурного питания приведет к неопределенности работы схемы запуска БП и вероятному отказу включения, о чем уже упоминалось.
Хороший лабораторный блок питания - это довольно дорогое удовольствие и не всем радиолюбителям оно по карману.
Тем не менее в домашних условиях можно собрать не плохой по характеристикам блок питания, который вполне справится и с обеспечением питания различных радиолюбительских конструкций, и так же может служить и зарядным устройством для различных аккумуляторов.
Собирают такие блоки питания радиолюбители, как правило из , которые везде доступны и дешевы.
В этой статье уделено мало внимания самой переделке АТХ, так как переделать компьютерный БП для радиолюбителя средней квалификации в лабораторный, или для каких то иных целей, обычно не составляет особого труда, а вот у начинающих радиолюбителей возникает по этому поводу много вопросов. В основном какие детали в БП нужно удалить, какие оставить, что добавить, чтобы такой БП превратить в регулируемый, ну и так далее.
Вот специально для таких радиолюбителей, я хочу в этой статье подробно рассказать о переделке компьютерных блоков питания АТХ в регулируемые БП, которые можно будет использовать и как лабораторный блок питания, и как зарядное устройство.
Для переделки нам понадобится исправный блок питания АТХ, который выполнен на ШИМ контроллере TL494 или его аналогах.
Схемы блоков питания на таких контроллерах в принципе отличаются друг от друга не сильно и все в основном похожи. Мощность блока питания не должна быть меньше той, которую планируете в будущем снимать с переделанного блока.
Давайте рассмотрим типовую схему блока питания АТХ, мощностью 250 Вт. У блоков питания "Codegen" схема почти не отличается от этой.
Схемы всех подобных БП состоят из высоковольтной и низковольтной части. На рисунке печатной платы блока питания (ниже) со стороны дорожек, высоковольтная часть отделена от низковольтной широкой пустой полосой (без дорожек), и находится справа (она меньше по размеру). Её мы трогать не будем, а будем работать только с низковольтной частью.
Это моя плата и на её примере я Вам покажу вариант переделки БП АТХ.
Низковольтная часть рассматриваемой нами схемы, состоит из ШИМ контроллера TL494, схемы на операционных усилителях, которая контролирует выходные напряжения блока питания, и в случае их несоответствия - даёт сигнал на 4-ю ножку ШИМ контроллера на выключение блока питания.
Вместо операционного усилителя на плате БП могут быть установлены транзисторы, которые в принципе выполняют ту же самую функцию.
Дальше идёт выпрямительная часть, которая состоит из различных выходных напряжений, 12 вольт, +5 вольт, -5 вольт, +3,3 вольта, из которых для наших целей будет необходим только выпрямитель +12 вольт (жёлтые выходные провода).
Остальные выпрямители и сопутствующие им детали необходимо будет удалить, кроме выпрямителя "дежурки", который нам понадобится для питания ШИМ контроллера и куллера.
Выпрямитель дежурки даёт два напряжения. Обычно это 5 вольт и второе напряжение может быть в районе 10-20 вольт (обычно около 12-ти).
Мы будем использовать для питания ШИМа второй выпрямитель. К нему также подключается и вентилятор (куллер).
Если это выходное напряжение будет значительно выше 12-ти вольт, то вентилятор подключать к этому источнику нужно будет через дополнительный резистор, как будет далее в рассматриваемых схемах.
На схеме ниже, я пометил высоковольтную часть зелёной линией, выпрямители "дежурки" - синей линией, а всё остальное, что необходимо будет удалить - красным цветом.
Итак всё, что помечено красным цветом - выпаиваем, а в нашем выпрямителе 12 вольт меняем штатные электролиты (16 вольт) на более высоковольтные, которые будут соответствовать будущему выходному напряжению нашего БП. Также необходимо будет выпаять в цепи 12-ой ножки ШИМ контроллера и средней части обмотки согласующего трансформатора - резистор R25 и диод D73 (если они есть в схеме), и вместо них в плату впаять перемычку, которая на схеме нарисована синей линией (можно просто замкнуть диод и резистор не выпаивая их). В некоторых схемах этой цепи может и не быть.
Далее в обвязке ШИМа на первой его ноге оставляем только один резистор, который идёт к выпрямителю +12 вольт.
На второй и третьей ноге ШИМа - оставляем только Задающую RC цепочку (на схеме R48 C28).
На четвёртой ноге ШИМа оставляем только один резистор (на схеме обозначен как R49. Да, ещё во многих схемах между 4-ой ногой и 13-14 ножками ШИМа - обычно стоит электролитический конденсатор, его (если он есть) тоже не трогаем, так как он предназначен для мягкого старта БП. В моей плате его просто не было, поэтому я его поставил.
Ёмкость его в стандартных схемах 1-10 мкФ.
Потом освобождаем 13-14 ножки от всех соединений, кроме соединения с конденсатором, и также освобождаем 15-ю и 16-ю ножки ШИМа.
После всех выполненных операций у нас должно получиться следующее.
Вот как это выглядит у меня на плате (ниже на рисунке).
Дроссель групповой стабилизации я здесь перемотал проводом 1,3-1,6 мм в один слой на родном сердечнике. Поместилось где то около 20-ти витков, но можно этого не делать и оставить тот, что был. С ним тоже всё хорошо работает.
На плату я так же установил другой нагрузочный резистор, который у меня состоит из двух параллельно включенных резисторов по 1,2 кОм 3W, общее сопротивление получилось 560 Ом.
Родной нагрузочный резистор рассчитан на 12 вольт выходного напряжения и имеет сопротивление 270 Ом. У меня выходное напряжение будет около 40-ка вольт, поэтому я поставил такой резистор.
Его нужно рассчитывать (при максимальном выходном напряжении БП на холостом ходу) на ток нагрузки 50-60 мА. Так как работа БП совсем без нагрузки не желательна, поэтому он и ставится в схему.
Вид платы со стороны деталей.
Теперь что необходимо будет нам добавить в подготовленную плату нашего БП, чтобы превратить его в регулируемый блок питания;
В первую очередь, чтобы не пожечь силовые транзисторы, нам нужно будет решить проблему стабилизации тока нагрузки и защиту от короткого замыкания.
На форумах по переделке подобных блоков, встретил такую интересную вещь - при экспериментах с режимом стабилизации тока, на форуме pro-radio
, участник форума DWD
привёл такую цитату, приведу её полностью:
"Я как-то рассказывал, что не смог получить нормальную работу ИБП в режиме источника тока при низком опорном напряжении на одном из входов усилителя ошибки ШИМ контроллера.
Более 50мВ - нормально, а меньше - нет. В принципе, 50мВ это гарантированный результат, а в принципе, можно получить и 25мВ, если постараться. Меньше - ни как не получалось. Работает не устойчиво и возбуждается или сбивается от помех. Это при плюсовом напряжении сигнала с датчика тока.
Но в даташите на TL494 есть вариант, когда с датчика тока снимается отрицательное напряжение.
Я переделал схему на этот вариант и получил отличный результат.
Вот фрагмент схемы.
Собственно, всё стандартно, кроме двух моментов.
Во первых, лучшая стабильность при стабилизации тока нагрузки при минусовом сигнале с датчика тока это случайность или закономерность?
Схема прекрасно работает при опорном напряжении в 5мВ!
При положительном сигнале с датчика тока стабильная работа получается только при более высоких опорных напряжениях (не менее 25мВ).
При номиналах резисторов 10Ом и 10КОм ток стабилизировался на уровне 1,5А вплоть до КЗ выхода.
Мне ток нужен больше, по этому поставил резистор на 30Ом. Стабилизация получилась на уровне 12...13А при опорном напряжении 15мВ.
Во вторых (и самое интересное), датчика тока, как такового у меня нет...
Его роль выполняет фрагмент дорожки на плате длиной 3см и шириной 1см. Дорожка покрыта тонким слоем припоя.
Если в качестве датчика использовать эту дорожку на длине 2см, то ток стабилизируется на уровне 12-13А, а если на длине 2,5см, то на уровне 10А."
Так как этот результат оказался лучше стандартного, то и мы пойдём таким-же путём.
Для начала нужно будет отпаять от минусового провода средний вывод вторичной обмотки трансформатора (гибкую косу), или лучше не выпаивая её (если позволяет печатка) - перерезать печатную дорожку на плате, которая соединяет её с минусовым проводом.
Дальше нужно будет впаять между разрезом дорожки токовый датчик (шунт), который будет соединять средний вывод обмотки с минусовым проводом.
Шунты лучше всего брать из неисправных (если найдёте) стрелочных ампервольтметров (цешек), или из китайских стрелочных или цифровых приборов. Выглядят они примерно так. Вполне достаточно будет куска длинной 1,5-2,0 см.
Можно конечно попробовать поступить и так, как написал выше DWD , то есть если дорожка от косы к общему проводу достаточной длинны, то попробовать её использовать в качестве токового датчика, но я этого делать не стал, у меня плата попалась другой конструкции, вот такая, где обозначены красной стрелкой две проволочные перемычки, которые соединяли вывод косы с общим проводом, а между ними проходили печатные дорожки.
Поэтому после удаления лишних деталей с платы, я выпаял эти перемычки и на их место впаял токовый датчик от неисправной китайской "цешки".
Потом на место припаял перемотанный дроссель, установил электролит и нагрузочный резистор.
Вот ка выглядит кусок платы у меня, где я красной стрелкой пометил установленный токовый датчик (шунт) на месте проволочной перемычки.
Потом отдельным проводом необходимо этот шунт соединить с ШИМом. Со стороны косы - с 15-ой ножкой ШИМа через резистор 10 Ом, а 16-ю ножку ШИМ-а соединить с общим проводом.
С помощью резистора 10 Ом можно будет подобрать максимальный выходной ток нашего БП. На схеме DWD
стоит резистор 30 Ом, но начните пока с 10-ти Ом. Увеличение номинала этого резистора - увеличивает максимальный выходной ток БП.
Как я уже раньше говорил, выходное напряжение блока питания у меня около 40-ка вольт. Для этого я перемотал себе трансформатор, но в принципе можно не перематывать, а повысить выходное напряжение другим способом, но для меня этот способ оказался удобнее.
Обо всём этом я расскажу немного позже, а пока продолжим и начнём устанавливать на плату необходимые дополнительные детали, чтобы у нас получился работоспособный блок питания или зарядное устройство.
Ещё раз напомню, что если у Вас на плате между 4-ой и 13-14 ножками ШИМа не стоял конденсатор (как в моём случае), то его желательно добавить в схему.
Так же нужно будет установить два переменных резистора (3,3-47 кОм) для регулировки выходного напряжения (V) и тока (I) и соединить их с нижеприведённой схемой. Провода соединения желательно делать как можно короче.
Ниже я привёл только часть схемы, которая нам необходима - в такой схеме проще будет разобраться.
На схеме вновь установленные детали обозначены зелёным цветом.
Схема вновь установленных деталей.
Приведу немного пояснений по схеме;
- Самый верхний выпрямитель - это дежурка.
- Величины переменных резисторов показаны, как 3,3 и 10 кОм - стоят такие, какие нашлись.
- Величина резистора R1 указана 270 Ом - он подбирается по необходимому ограничению тока. Начинайте с малого и у Вас он может оказаться совсем другой величины, например 27 Ом;
- Конденсатор С3 я не пометил, как вновь установленные детали в расчёте на то, что он может присутствовать на плате;
- Оранжевой линией обозначены элементы, которые может придётся подбирать или добавлять в схему в процессе наладки БП.
Дальше разбираемся с оставшимся 12-ти вольтовым выпрямителем.
Проверяем, какое максимальное напряжение способен выдать наш БП.
Для этого временно отпаиваем от первой ноги ШИМа - резистор, который идёт на выход выпрямителя (по схеме выше на 24 кОм), затем нужно включить блок в сеть, предварительно соединить в разрыв любого сетевого провода, в качестве предохранителя - обычную лампу накаливания 75-95 Вт. Блок питания в этом случае выдаст нам максимальное напряжение, на которое он способен.
Прежде, чем включать блок питания в сеть, убедитесь, что электролитические конденсаторы в выходном выпрямителе заменены на более высоковольтные!
Все дальнейшие включения БП производить только с лампой накаливания, она убережёт БП от аварийных ситуаций, в случае каких либо допущенных ошибок. Лампа в этом случае просто загорится, а силовые транзисторы останутся целыми.
Дальше нам нужно зафиксировать (ограничить) максимальное выходное напряжение нашего БП.
Для этого резистор на 24 кОм (по схеме выше) от первой ноги ШИМа, меняем временно на подстроечный, например 100 кОм, и выставляем им необходимое нам максимальное напряжение. Желательно выставить так, что бы оно было меньше процентов на 10-15 от максимального напряжения, которое способен выдать наш БП. Потом на место подстроечного резистора впаять постоянный.
Если Вы планируете этот БП использовать в качестве зарядного устройства, то штатную диодную сборку используемую в этом выпрямителе, можно оставить, так как её обратное напряжение 40 вольт и для зарядного устройства она вполне подойдёт.
Тогда максимальное выходное напряжение будущего зарядного нужно будет ограничить выше описанным способом, в районе 15-16 вольт. Для зарядного устройства 12-ти вольтовых АКБ это вполне достаточно и повышать этот порог не нужно.
Если планируете использовать Ваш переделанный БП в качестве регулируемого блока питания, где выходное напряжение будет больше 20-ти вольт, то эта сборка уже не подойдёт. Её нужно будет заменить на более высоковольтную с соответствующим током нагрузки.
Себе на плату я поставил две сборки в параллель по 16 ампер и 200 вольт.
При конструировании выпрямителя на таких сборках, максимальное выходное напряжение будущего блока питания может быть от 16-ти и до 30-32 вольт. Всё зависит от модели блока питания.
Если при проверке БП на максимально-выдавамое напряжение, БП выдаёт напряжение меньше планируемого, и кому то нужно будет больше напряжения на выходе (40-50 вольт например), то нужно будет вместо диодной - сборки собрать диодный мост, косу отпаять от своего места и оставить висеть в воздухе, а минусовой вывод диодного моста соединить на место выпаянной косы.
Схема выпрямителя с диодным мостом.
С диодным мостом выходное напряжение блока питания будет в два раза больше.
Очень хорошо для диодного моста подходят диоды КД213 (с любой буквой), выходной ток с которыми может достигать до 10-ти ампер, КД2999А,Б (до 20-ти ампер) и КД2997А,Б (до 30-ти ампер). Лучше всего конечно последние.
Все они выглядят вот так;
Нужно будет в таком случае продумать крепление диодов к радиатору и изоляцию их друг от друга.
Но я пошёл другим путём - просто перемотал трансформатор и обошёлся, как говорил выше. двумя диодными сборками в параллель, так как на плате было для этого предусмотрено место. Для меня этот путь оказался проще.
Перемотать трансформатор особого труда не составляет и как это сделать - рассмотрим ниже.
Для начала выпаиваем трансформатор из платы и смотрим по плате, к каким выводам припаяны 12-ти вольтовые обмотки.
В основном встречаются двух видов. Такие, как на фото.
Дальше нужно будет разобрать трансформатор. Проще конечно будет справиться с меньшими по размеру, но и бОльшие тоже поддаются.
Для этого нужно очистить сердечник от видимых остатков лака (клея), взять небольшую ёмкость, налить в неё воды, положить туда трансформатор, поставить на плиту, довести до кипения и "поварить" наш трансформатор 20-30 минут.
Для меньших трансформаторов это вполне достаточно (можно и меньше) и подобная процедура абсолютно не повредит сердечнику и обмоткам трансформатора.
Потом, придерживая сердечник трансформатора пинцетом (можно прямо в таре) - острым ножом пробуем отсоединить ферритовую перемычку от Ш-образного сердечника.
Делается это довольно легко, так как лак размягчается от такой процедуры.
Дальше так же аккуратно, пробуем освободить каркас от Ш-образного сердечника. Это тоже довольно просто делается.
Потом сматываем обмотки. Сначала идёт половина первичной обмотки, в основном около 20-ти витков. Сматываем её и запоминаем направление намотки. Второй конец этой обмотки можно и не отпаивать от места его соединения с другой половиной первички, если это не мешает дальнейшей работе с трансформатором.
Потом сматываем все вторички. Обычно идёт 4 витка сразу обеих половин 12-ти вольтовых обмоток, потом 3+3 витка 5-ти вольтовых. Всё сматываем, отпаиваем от выводов и наматываем новую обмотку.
Новая обмотка будет содержать 10+10 витков. Наматываем её проводом, диаметром 1,2 - 1,5 мм, или набором более тонких проводов (легче мотать) соответствующего сечения.
Начало обмотки припаиваем к одному из выводов, к которым была припаяна 12-ти вольтовая обмотка, мотаем 10 витков, направление намотки роли не играет, выводим отвод на "косу" и в том же направлении, что и начинали - мотаем ещё 10 витков и конец припаиваем на оставшийся вывод.
Дальше изолируем вторичку и наматываем на неё, смотанную нами ранее, вторую половину первички, в том же направлении, как она была намотана ранее.
Собираем трансформатор, впаиваем в плату и проверяем работу БП.
Если в процессе регулировки напряжения возникают какие либо посторонние шумы, писки, трески, то чтобы избавиться от них, нужно будет подобрать RC-цепочку, обведённую оранжевым эллипсом ниже на рисунке.
В некоторых случаях можно совсем убрать резистор и подобрать конденсатор, а в некоторых без резистора нельзя. Можно будет попробовать добавить конденсатор, или такую же RC цепочку, между 3 и 15 ножками ШИМа.
Если это не помогает, то нужно установить дополнительные конденсаторы (обведены оранжевым), номиналы их приблизительно 0,01 мкф. Если это мало помогает, то установить ещё и дополнительный резистор 4,7 кОм от второй ноги ШИМа к среднему выводу регулятора напряжения (на схеме не показан).
Потом нужно будет нагрузить выход БП, например автомобильной лампой ватт на 60, и попробовать регулировать ток резистором "I".
Если предела регулировки тока будет мало, то нужно увеличить номинал резистора, который идёт от шунта (10 Ом), и снова попробовать регулировать ток.
Не следует ставить вместо этого резистора подстроечный, изменяйте его величину, только установкой другого резистора с большим или меньшим номиналом.
Может случиться так, что при увеличении тока - лампа накаливания в цепи сетевого провода загорится. Тогда нужно уменьшить ток, выключить БП и вернуть номинал резистора к предыдущему значению.
Ещё, для регуляторов напряжения и тока, лучше всего попробовать приобрести регуляторы СП5-35, которые бывают с проволочными и жесткими выводами.
Это аналог многооборотных резисторов (всего на полтора оборота), ось которого совмещена с плавным и грубым регулятором. Регулируется сначала "Плавно", потом когда у него заканчивается предел, начинает регулироваться "Грубо".
Регулировка такими резисторами очень удобна, быстра и точна, гораздо лучше, чем многооборотником. Но если их достать не удастся, то приобретите обычные многооборотные, такие например;
Ну вот вроде я всё Вам и рассказал, что планировал довести по переделке компьютерного БП, и надеюсь, что всё понятно и доходчиво.
Если у кого-то возникнут какие либо вопросы по конструкции блока питания, задавайте их на форуме.
Удачи Вам в конструировании!