Схемотехника блоков питания персональных компьютеров

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110. 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220. 230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180. 220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Вторичные источники питания являются неотъемлемой частью конструкции любого радиоэлектронного устройства. Они предназначены для того, чтобы преобразовывать переменное или постоянное напряжение электросети или аккумулятора в постоянное или переменное напряжение, требуемое для работы устройства, это блоки питания.

Виды

Источники питания бывают не только включены в схему какого-либо устройства, но и могут выполнятся в виде отдельного блока и даже занимать целые цеха электроснабжения.

К блокам питания предъявляется несколько требований. Среди них: высокий КПД, высокое качество выходного напряжения, наличие защит, совместимость с сетью, небольшие размеры и масса и др.

Среди задач блока питания могут числится:
  • Передача электрической мощности с минимумом потерь;
  • Трансформация одного вида напряжения в другое;
  • Формирование частоты отличной от частоты тока источника;
  • Изменение величины напряжения;
  • Стабилизация. Блок питания должен на выходе выдавать стабильный ток и напряжение. Эти параметры не должны превышать или быть ниже определенного предела;
  • Защита от короткого замыкания и других неисправностей в источнике питания, которые могут привести к поломке устройства, которое обеспечивает блок питания;
  • Гальваническая развязка. Метод защиты от протекания выравнивающих и других токов. Такие токи могут приводить к поломкам оборудования и поражать людей.

Но зачастую перед блоками питания в бытовых приборах стоят только две задачи – преобразовывать переменное электрическое напряжение в постоянное и преобразовывать частоту тока электросети.

Среди блоков питания наиболее распространены два типа. Они различаются по конструкции. Это линейные (трансформаторные) и импульсные блоки питания.

Линейные блоки питания

Изначально источники питания изготавливались только в таком виде. Напряжение в них преобразовывается силовым трансформатором. Трансформатор понижает амплитуду синусоидальной гармоники, которая затем выпрямляется диодным мостом (бывают схемы с одним диодом). Диоды преобразуют ток в пульсирующий. А далее пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра на конденсаторе. В конце ток стабилизируется с помощью триода.

Читайте также  Импульсный блок питания для чайников

Чтобы просто понять, что происходит, представьте себе синусоиду – именно так выглядит форма напряжения, поступающего в наш блок питания. Трансформатор как бы сплющивает эту синусоиду. Диодный мост горизонтально рубит ее пополам и переворачивает нижнюю часть синусоиды наверх. Уже получается постоянное, но все еще пульсирующее напряжение. Фильтр конденсатора доделывает работу и «прижимает» эту синусоиду до такой степени, что получается почти прямая линия, а это и есть постоянный ток. Примерно так, возможно, чересчур просто и грубо, можно описать работу линейного блока питания.

Плюсы и минусы линейных БП

К преимуществам относится простота устройства, его надежность и отсутствие высокочастотных помех в отличие от импульсных аналогов.

К недостаткам можно отнести большой вес и размер, увеличивающиеся пропорционально мощности устройства. Также триоды, идущие в конце схемы и стабилизирующие напряжение снижают КПД устройства. Чем стабильнее напряжение, тем большие его потери будут на выходе.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания такой конструкции появились в 60-ых годах прошлого века. Они работают по принципу инвертора. То есть, не только преобразуют постоянное напряжение в переменное, но и меняют его величину. Напряжение из электросети попадая в прибор выпрямляется входным выпрямителем. Затем амплитуда сглаживается входными конденсаторами. Получаются высокочастотные импульсы прямоугольной формы с определенным повторением и длительностью импульса.

Дальнейший путь импульсов зависит от конструкции блока питания:
  • В блоках с гальванической развязкой импульс попадает в трансформатор.
  • В БП без развязки импульс идет сразу на выходной фильтр, который срезает нижние частоты.
Импульсный БП с гальванической развязкой

Высокочастотные импульсы из конденсаторов попадают в трансформатор, который отделяет одну электрическую цепь от другой. В этом и заключается суть гальванической развязки. Благодаря высокой частотности сигнала эффективность трансформатора повышается. Это позволяет снизить в импульсных БП массу трансформатора и его размеры, а, следовательно, и всего устройства. В импульсных трансформаторах в качестве сердечника используются ферромагнитные соединения. Это также позволяет снизить габариты устройства.

Конструкция такого типа предполагает преобразование тока в три этапа:
  1. Широтно-импульсный модулятор;
  2. Транзисторный каскад;
  3. Импульсный трансформатор.
Что такое широтно-импульсный модулятор

По-другому этот преобразователь называется ШИМ-контроллер. Его задача состоит в том, чтобы изменять время, в течении которого будет подаваться импульс прямоугольной формы. Модулятор меняет время, в течении которого импульс остается включенным. Он меняет время, в которое импульс не подается. Но частота подачи при этом остается одинаковой.

Как стабилизируется напряжение в импульсных БП

Во всех импульсных БП реализован вид обратной связи, при котором с помощью части выходного напряжения компенсируется влияние входного напряжения на систему. Это позволяет стабилизировать случайные входные и выходные изменения напряжения

В системах с гальванической развязкой для создания отрицательной обратной связи применяются оптроны. В БП без развязки обратная связь реализована делителем напряжения.

Плюсы и минусы импульсных БП

Из плюсов можно выделить меньшую массу и размеры. Высокий КПД, за счет снижения потерь, связанных с процессами перехода в электрических цепях. Меньшая цена в сравнении с линейными БП. Возможность использования одних и тех же БП в разных странах мира, где параметры электросети отличаются между собой. Наличие защиты от короткого замыкания.

Недостатками импульсных БП является их невозможность работы на слишком высоких или слишком низких нагрузках. Не подходят для отдельных видов точных устройств, поскольку создают радиопомехи.

Применение

Линейные блоки питания активно вытесняются их импульсными аналогами. Сейчас линейные БП можно встретить в стиральных машинах, СВЧ-печах, системах отопления.

Импульсные БП применяются почти везде: в компьютерной технике и телевизорах, в медицинской технике, в большинстве бытовых приборов, в оргтехнике.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.



Виды блоков питания и их различия

Существуют трансформаторные и импульсные блоки питания.

Рассмотрим их отличия, преимущества и недостатки.

Простой классический вид блока питания в современных ПК практически не используется, схема устройства с двухполероудным выпрямителем представлена ниже.

Основными элементами устройства являются:

  1. Трансформатор;
  2. Выпрямитель;
  3. Сетевой фильтр.

Один из трансформаторных блоков представлен ниже.

Трансформатор через первичную обмотку принимает на себя из сети входящее напряжение.

Выпрямитель выполняет задачу преобразования переменного тока в постоянный однонаправленный.

Как правило, используются два типа выпрямителей:

  1. Двухполупериодный;
  2. Однополупериодный.

В обоих типах устройств используются диодные мосты состоящие:

  • в первом типе – из четырех диодов;
  • во втором – из двух диодов.

Использование других элементов в выпрямителе свойственно для блоков питания с удвоенным напряжением или трехфазных устройствах.

Сетевой фильтр представляет из себя обычный конденсатор обладающий большой емкостью. С помощью него сглаживаются пульсации тока.

Вместо обычных трансформаторов могут быть установлены автоматические устройства.

Чтобы понять, как работают блоки питания, необходимо обладать базовыми знаниями законов электротехники.

Габариты БП прямо пропорционально зависят от габаритов трансформаторов.

Размеры последних рассчитываются по специальной формуле.

  • n – количество витков на 1В напряжения;
  • f – частота переменного тока;
  • S – площадь сечения магнитопровода;
  • B – индукция магнитного поля, которая образуется в магнитопроводе.

Чем больше сечение магнитопровода S и количество витков N, тем больше будет трансформатор (его вес и габариты), это логично.

Но если площадь сечения провода уменьшить, то необходимо будет увеличить и количество витков N, которые могут не поместиться на трансформаторах небольших размеров.

При этом большое количество витков увеличит показатели активного сопротивления обмотки.

Если трансформатор маломощный, то большое количество витков с малым сечением никак не повлияет на работу такого БП, так как сила тока в таких устройствах мала.

Но если на таком трансформаторе увеличить мощность, соответственно увеличиться и сила тока, но так как сопротивление обмотки высокое, это приведет к большому рассеиванию тепловой мощности.

Отсюда можно сделать вывод что блоки питания, сконструированные для компьютеров на основе классических трансформаторах и работающие на частоте 50Гц могут иметь только большие размеры и вес.

Преимущества трансформаторных блоков питания:

  1. Надежная и простота конструкция устройств;
  2. Удобство ремонта (все элементы доступны и заменяемы);
  3. Радиопомехи минимальны или отсутствуют совсем.
  1. Прямая пропорциональность мощности устройства к его весу и габаритам;
  2. Зависимость стабильности рабочего напряжения от КПД работы трансформатора и наоборот.
  3. Использование электротехнической стали повышает стоимость устройства и его металлоемкость.
Читайте также  Как разрезать кафельную плитку

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

  • бестрансформаторные;
  • трансформаторные.

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

БЛОГ о компьютере

Блоки питания для ПК: принципы работы и основные узлы

Компьютерный блок питания состоит из нескольких основных узлов. Детальная схема устройства представлена на рисунке. При включении сетевое переменное напряжение подается на входной фильтр [1], в котором сглаживаются и подавляются пульсации и помехи. В дешевых блоках этот фильтр часто упрощен либо вообще отсутствует.

Далее напряжение попадает на инвертор сетевого напряжения [2]. В сети проходит переменный ток, который меняет потенциал 50 раз в секунду, т. е. с частотой 50 Гц. Инвертор же повышает эту частоту до десятков, а иногда и сотен килогерц, за счет чего габариты и масса основного преобразующего трансформатора сильно уменьшаются при сохранении полезной мощности. Для лучшего понимания данного решения представьте себе большое ведро, в котором за раз можно перенести 25 л воды, и маленькое ведерко емкостью 1 л, в котором можно перенести такой же объем за то же время, но воду придется носить в 25 раз быстрее.

Импульсный трансформатор [3] преобразовывает высоковольтное напряжение от инвертора в низковольтное. Благодаря высокой частоте преобразования мощность, которую можно передать через такой небольшой компонент, достигает 600–700 Вт. В дорогих БП встречаются два или даже три трансформатора.

Рядом с основным трансформатором обычно имеются один или два меньших, которые служат для создания дежурного напряжения, присутствующего внутри блока питания и на материнской плате всегда, когда к БП подключена сетевая вилка. Этот узел вместе со специальным контроллером отмечен на рисунке цифрой [4].

Пониженное напряжение поступает на быстрые выпрямительные диодные сборки, установленные на мощном радиаторе [5]. Диоды, конденсаторы и дроссели сглаживают и выпрямляют высокочастотные пульсации, позволяя получить на выходе почти постоянное напряжение, которое идет далее на разъемы питания материнской платы и периферийных устройств.

Многие БП предоставляют возможность отключать неиспользуемые разъемы, для этого на внутренней торцевой стенке монтируется плата с силовыми разъемами [8]. При правильном подходе к проектированию такой узел не влияет на электрические характеристики блока питания. Но бывает и наоборот, некачественные разъемы могут ухудшать контакт либо неверное подключение приводит к выходу комплектующих из строя.

Для подключения комплектующих к БП используется несколько стандартных типов штекеров: самый крупный из них – двухрядный – служит для питания материнской платы. Ранее устанавливались двадцатиконтактные разъемы, но современные системы имеют большую нагрузочную способность, и в результате штекер нового образца получил 24 проводника, причем часто добавочные 4 контакта отсоединяются от основного набора. Кроме силовых каналов нагрузки, на материнскую плату передаются сигналы управления (PS_ON#, PWR_OK), а также дополнительные линии (+5Vsb, -12V).

Включение проводится только при наличии на проводе PS_ON# нулевого напряжения.

Поэтому, чтобы запустить блок без материнской платы, нужно замкнуть контакт 16 (зеленый провод) на любой из черных проводов («земля»). Исправный БП должен заработать, и все напряжения сразу же установятся в соответствии с характеристиками стандарта ATX. Сигнал PWR_OK служит для сообщения материнской плате о нормальном функционировании схем стабилизации БП. Напряжение +5Vsb используется для питания USB-устройств и чипсета в дежурном режиме (Standby) работы ПК, а -12 – для последовательных портов RS-232 на плате.

Стабилизатор процессора на материнской плате подключается отдельно и использует четырех- либо восьмиконтактный кабель, подающий напряжение +12 В. Питание мощных видеокарт с интерфейсом PCI-Express осуществляется по одному 6-контактному либо по двум разъемам для старших моделей. Существует также 8-контактная модификация данного штекера. Жесткие диски и накопители с интерфейсом SATA используют собственный тип контактов с напряжениями +5, +12 и +3,3 В. Для старых устройств подобного рода и дополнительной периферии имеется 4-контактный разъем питания с напряжениями +5 и +12 В (так называемый molex).

Основное потребление мощности всех современных систем, начиная с Socket 775, 754, 939 и более новых, приходится на линию +12 В. Процессоры могут нагружать данный канал токами до 10–15 А, а видеокарты до 20–25 А (особенно при разгоне). В итоге мощные игровые конфигурации с четырехъядерными CPU и несколькими графическими адаптерами запросто «съедают» 500–700 Вт. Материнские платы со всеми распаянными на РСВ контроллерами потребляют сравнительно мало (до 50 Вт), оперативная память довольствуется мощностью до 15–25 Вт для одной планки. А вот винчестеры, хоть они и неэнергоемкие (до 15 Вт), но требуют качественного питания. Чувствительные схемы управления головками и шпинделем легко выходят из строя при превышении напряжения +12 В либо при сильных пульсациях.

Многие новые блоки питания выполнены по эффективным схемам, поэтому выдают большую мощность при использовании маленьких радиаторов охлаждения. Примером может служить распространенная платформа FSP Epsilon (FSPxxx-80GLY/GLN), на базе которой построены БП нескольких производителей (OCZ GameXStream, FSP Optima/Everest/Epsilon).

Современные мощные видеокарты потребляют большое количество энергии, поэтому давно подключаются отдельными кабелями к БП независимо от материнской платы. Новейшие модели оснащаются шести- и восьмиконтактными штекерами. Часто последний имеет отстегивающуюся часть, для удобства подсоединения к меньшим разъемам питания видеокарт.

Надеемся, что после рассмотрения основных узлов блоков питания читателям уже понятно: за последние годы конструкция БП стала значительно сложнее, она подверглась модернизации и сейчас для полноценного всестороннего тестирования требует квалифицированного подхода и наличия специального оборудования. Невзирая на общее повышение качества доступных рядовому пользователю блоков, существуют и откровенно неудачные модели. Поэтому при выборе конкретного экземпляра БП для вашего компьютера нужно ориентироваться на подробные обзоры данных устройств и внимательно изучать каждую модель перед покупкой. Ведь от блока питания зависит сохранность информации, стабильность и долговечность работы компонентов ПК в целом.

Краткий словарь терминов

Суммарная мощность – долговременная мощность потребления нагрузкой, допустимая для блока питания без его перегрева и повреждений. Измеряется в ваттах (Вт, W).

Конденсатор, электролит – устройство для накопления энергии электрического поля. В БП используется для сглаживания пульсаций и подавления помех в схеме питания.

Дроссель – свернутый в спираль проводник, обладающий значительной индуктивностью при малой собственной емкости и небольшом активном сопротивлении. Данный элемент способен запасать магнитную энергию при протекании электрического тока и отдавать ее в цепь в моменты больших токовых перепадов.

Трансформатор – элемент из двух или более дросселей, намотанных на единое основание, служащий для преобразования системы переменного тока одного напряжения в систему тока другого напряжения без существенных потерь мощности.

Читайте также  Технические условия на электроснабжение

ATX – международный стандарт, описывающий различные требования к электрическим, массогабаритным и другим характеристикам корпусов и блоков питания.

Пульсации – импульсы и короткие всплески напряжения на линии питания. Возникают из-за работы преобразователей напряжения.

Коэффициент мощности, КМ (PF) – соотношение активной потребляемой мощности от электросети и реактивной. Последняя присутствует всегда, когда ток нагрузки по фазе не совпадает с напряжением сети либо если нагрузка является нелинейной.

Активная схема коррекции КМ (APFC) – импульсный преобразователь, у которого мгновенный потребляемый ток прямо пропорционален мгновенному напряжению в сети, то есть имеет только линейный характер потребления. Этот узел изолирует нелинейный преобразователь самого БП от электросети.

Пассивная схема коррекции КМ (PPFC) – пассивный дроссель большой мощности, который благодаря индуктивности сглаживает импульсы тока, потребляемые блоком. На практике эффективность подобного решения довольно низкая.

Входной фильтр, высоковольтный выпрямитель и емкостный фильтр

Помехи могут возникать при коммутации мощных потребителей энергии, сварке и т.п.

В то же время он задерживает помехи и самого блока, не пропуская их в сеть.

Если быть более точным, помехи в БП и из него проходят, но достаточно сильно ослабляются.

Входной фильтр представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ).

Он пропускает низкие частоты (в том числе сетевое напряжение, частота которого равна 50 Гц) и ослабляет высокие.

Отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ). Как правило, ВВ выполнен по мостовой схеме из четырех полупроводниковых диодов.

Диоды могут быть как отдельными, так и смонтированными в одном корпусе. Существует и другое название такого выпрямителя — «диодный мост».

Выпрямитель превращает переменное напряжение в пульсирующее, т. е. одной полярности.

Грубо говоря, диодный мост «заворачивает» отрицательную полуволну, превращая ее в положительную.

Пульсирующее напряжение представляет собой ряд полуволн положительной полярности. На выходе ВВ стоит емкостной фильтр — один или два последовательно включенных электролитических конденсатора.

Конденсатор — это буферный элемент, который может заряжаться, запасая энергию и разряжаться, отдавая ее.

Когда напряжение на выходе выпрямителя ниже некоей величины («провал»), конденсатор разряжается, поддерживая его на нагрузке. Если же оно выше, конденсатор заряжается, обрезая пики напряжения.

В курсе высшей математике доказывается, что пульсирующее напряжение представляет собой сумму постоянной составляющей и гармоник, частоты которых кратны основной частоте сети.

Таким образом, емкостный фильтр можно рассматривать здесь как фильтр нижних частот, выделяющий постоянную составляющую и ослабляющий гармоники. В том числе и основную гармонику сети — 50 Гц.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

  1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
  2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Импульсный БП и его устройство.

Ниже представлена схема одноконтактного импульсного БП (эта схема является простейшей):

Фактически блоки питания импульсного вида являются инверторной системой. В этом БП входящая в него электроэнергия сначала выпрямляется (т. е. образуется постоянный электрический ток), а после этого преобразуется в прямоугольные импульсы определённой частоты и скважности. После этого эти прямоугольные импульсы на трансформатор (в случае если конструкция БП включает в себя гальваническую развязку) или же сразу на выходной ФНЧ (в случае если отсутствует гальваническая развязка). Из-за того, что в импульсных БП с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и в значительной степени снижается требование к сечению сердечника, в них могут применяться гораздо более малогабаритные трансформаторы чем в классических решениях.

В большинстве случаев сердечник трансформатора импульсного вида может быть выполнен из ферримагнитных материалов, в отличии от низкочастотных трансформаторах, в которых используется электротехническая сталь.

Стабилизация напряжения в импульсных блоках питания обеспечивается путём отрицательной обратной связи. Она позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне. Такая связь может быть сконструирована различными способами. В случае наличия в конструкции БП гальванической развязки чаще всего используют способ использования связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или же способ оптрона. Скважность на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигнала обратной связи, который, в свою очередь, зависит от выходного напряжения. В том случае, если развязка в БП не предусмотрена, используется обычный резистивный делитель напряжения. Благодаря этому импульсные блоки питания могут поддерживать стабильное выходное напряжение.

Достоинства импульсных БП.

  • Значительно меньший вес и габариты (это достигается благодаря тому, что при повышении частоты можно использовать трансформаторы с меньшими габаритами при одинаковой мощности. Большинство линейных стабилизаторов производятся в большинстве своём из мощных низкочастотных силовых трансформаторов и радиаторов, которые работают в линейном режиме;
  • Намного более высоким КПД (до 98%). Такой высокий коэффициент полезного действия достигается благодаря тому, что большую часть времени ключевые элементы находятся в устойчивом состоянии (а потери возникают во время включения/выключения ключевых элементов);
  • Меньшей стоимостью (это преимущество было достигнуто благодаря повсеместному выпуску унифицированной элементной базы и разработке транзисторов повышенной мощности);
  • Надёжностью наравне с линейными стабилизаторами;
  • Большим диапазоном входной частоты и напряжения электрической энергии. Благодаря этому один и тот же БП может использоваться в различных странах мира с различными стандартами домашней электрической сети;
  • Наличие защиты от непредвиденных ситуаций (короткое замыкание).

Недостатки импульсных БП

  • Затруднение ремонта БП вследствие того, что большая часть схемы работает в отсутствии гальванической развязки электросети
  • Является источником высокочастотных помех. Этот недостаток выходит из самого принципа работы импульсных БП. Из-за него производителям блоков питания приходится предпринимать меры шумоподавления, которые, в большинстве случаев, не могут полностью устранить данную проблему
  • Эффект гармоник кратный трём (при наличии корректоров фактора мощности и фильтров данный недостаток неактуален)