Принцип работы компьютерного блока питания

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
• Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

Пример миниатюрных импульсных БП

• Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
• На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

Лабораторный блок питания своими руками

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
2. Нежелательная работа их без нагрузки;
3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Вспомогательные узлы

В конструкции можно реализовать вспомогательные узлы, например, индикаторы или переключатели напряжения. Главное не переусердствовать и делать устройство согласно всем нормам и рекомендациям.

Индикаторные светодиоды

В конструкции можно продумать светодиодные индикаторы, которые применяются в заводских блоках и подзарядных устройствах. Светодиоды служат сигнализатором о том, что полезная работа трансформатора производится и напряжение соответствует требуемому значению.

Амперметр и вольтметр

Для произведения расчетов и подбора элементов, а также для правильной сборки блока питания необходимо использовать амперметр и вольтметр.

Схемотехника источников питания SMPS

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

Обратноходовый преобразователь

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

Базовая схема flyback с трансформатором

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

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

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

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

Преобразователи прямоходового типа

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

Базовая схема прямоходового электропитания

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

Прямоходовое электропитание с трансформатором

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

Двухтактные преобразователи

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

Базовая схема источника питания двухтактного типа

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

Двухтактный преобразователь

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

Импульсный блок питания

В наши дни преимущественное большинство используемых блоков питания – это агрегаты импульсного типа. Эти блоки представляют собой фактически инверторную систему

Принцип их работы прост – происходит предварительное выпрямление входного напряжения, после чего оно преобразуется в импульсы с увеличенной частотой и необходимыми параметрами скважности. В импульсных блоках питания используются небольшие трансформаторы, которых более чем достаточно, поскольку увеличение частоты повышает эффективность трансформатора, а значит нет необходимости в больших габаритах

Нередко сердечник трансформатора изготавливается из ферромагнитных материалов, что, помимо всего прочего, существенно облегчает конструкцию.

Что же обеспечивает стабилизацию напряжения? Эту функцию берёт на себя отрицательная обратная связь, которая поддерживает выходное напряжение на одном уровне. При этом не учитывается величина нагрузки и колебания входного напряжения. Импульсный блок питания, также возможно сделать, своими руками, но в этом случае основными компонентами являются, линейный регулятор — LM7809, либо ШИМ контроллер TL494, а также импульсный трансформатор Т1.

Схема простого импульсного блока питания

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Оборудование для тестирования ИИП

Для тестирования ИИП различного назначения нужно использовать универсальную измерительную установку, включающую следующие элементы:

• Осциллограф с полосой частот 500 МГц, который обеспечивает точные измерения необходимых характеристик во времени. Рекомендуется использовать четырехканальный осциллограф, поддерживающий одновременное отображение нескольких ключевых сигналов. Для этих целей подходит прибор R&S RTO1004, в идеале оснащенный опцией анализа электропитания R&S RTO-K31. Рекомендуется использовать один токовый пробник (RT-ZC20 или аналогичный); два пассивных пробника (RT-ZP10 или аналогичных) с принадлежностями для заземления и набором инструментов для выравнивания; активный несимметричный пробник (RT-ZS10 или аналогичный); активный дифференциальный пробник (RT-ZD10 или аналогичный).
• Источник питания, который должен обеспечивать поддержку требуемых уровней напряжений и токов, а также высокий уровень стабильности и точности по выходу. По возможности следует использовать многожильные скрученные проводники минимальной длины, что позволит снизить индуктивное сопротивление.
• Цифровой мультиметр, обеспечивающий возможность контроля статических напряжений и токов в ходе тестирования. Для этих целей подходит 5,75‑разрядный ЦММ Hameg HMC8012 или 6,5‑разрядный ЦММ HM8112-3.
• Генератор импульсов или сигналов произвольной формы, позволяющий сформировать сигналы для управления коммутаторами, источниками напряжения или нагрузками. Для этих целей подойдет, например, функциональный генератор Hameg HMF2525, поддерживающий работу в диапазоне частот до 25 МГц.
• Электронная нагрузка, которая обеспечивает проведение испытаний ИИП с использованием широкого спектра выходных токов, что открывает возможности для дальнейшей автоматизации.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного

Схема трансформаторного стабилизированного источника питания.

Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор — выпрямитель с фильтром — стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.

В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.

Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.

В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.

К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!. Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

Вернуться наверх к меню

Если шим — контролёр выходит из строя

Временами шим — контролёры их схемы и источник питания (в том числе и встроенные в ноутбук) могут ломаться и выходить из строя. В таких случаях понадобится выявить неисправности (в одних случаях проверять необходимо источник питания, в других проверять стоит саму схему). Для этой цели были разработаны мультиметры. Мультиметры тщательно исследуют работоспособность шим — контролёров и при необходимости помогают устранить неисправности. Самыми распространёнными причинами, почему следует проверять эти устройства, считают нестабильную работу платы и изменения показателей напряжения. Если их устранить, техника будет работать.