Как сделать лабораторный блок питания из компьютерного

Как сделать лабораторный блок питания из компьютерного

Переделка компьютерного блока питания ATX в регулируемый блок питания

Основа современного бизнеса — получение больших прибылей при сравнительно низких вложениях. Хотя этот путь и губителен для собственных отечественных разработок и промышленности, но бизнес есть бизнес. Тут либо вводи меры по предотвращению проникновения дешевых запцацак, либо делать на этом деньги. К примеру, если необходим дешевый блок питания, то не нужно изобретать и конструировать, убивая деньги, — просто нужно посмотреть на рынок распространенного китайского барахла и попытаться на его основе построить то, что необходимо. Рынок, как никогда, завален старыми и новыми компьютерными блока питания различной мощности. В этом блоке питания есть все что нужно — различные напряжения (+12 В, +5 В, +3,3 В, -12 В, -5 В), защиты этих напряжений от перенапряжения и от превышения тока. При этом компьютерные блоки питания типа ATX или TX имеют малый вес и небольшой размер. Конечно, блоки питания импульсные, но высокочастотных помех практически нет. При этом можно идти штатным проверенным способом и ставить обычный трансформатор с несколькими отводами и кучей диодных мостов, а регулирование осуществлять переменным резистором большой мощности. С точки зрения надежности трансформаторные блоки намного надежнее импульсных, ведь в импульсном блоки питания в несколько десятков раз больше деталей, чем в трансформаторном блоке питания типа СССР и если каждый элемент по надежности несколько меньше единицы, то общая надежность является произведением всех элементов и как результат — импульсные блоки питания по надежности намного меньше трансформаторных в несколько десятков раз. Кажется, что если так, то нечего городить огород и следует отказаться от импульсных блоков питания. Но тут более важным фактором, чем надежность, в нашей действительности является гибкость производства, а импульсные блоки достаточно просто могут трансформироваться и перестраиваться под совершенно любую технику в зависимости от требований производства. Вторым фактором является торговля запцацками. При достаточном уровне конкуренции производитель стремится отдать товар по себестоимости, при этом достаточно точно рассчитать время гарантии с тем, чтобы оборудование выходило из строя на следующей неделе, после окончания гарантии и клиент покупал бы запчасти по завышенным ценам. Порой доходит до того, что легче купить новую технику, чем чинить у производителя его бэушку.

Для нас вполне нормально вместо сгоревшего блока питания вкрутить транс или подпереть красную кнопку пуска газа в духовках "Дефект" столовой ложкой, а не покупать новую часть. Наш менталитет четко просекают китайцы и стремятся делать свои товары неремонтопригодными, но мы как на войне, умудряемся ремонтировать и усовершенствовать их ненадежную технику, а если уже все — "труба", то хоть какую-нить запцацку снять и вкидануть в другое оборудование.

Мне стал нужен блок питания для проверки электронных компонентов с регулируемым напряжением до 30 В. Был трансформатор, но регулировать через резак — несерьезно, да и вольтаж будет плавать на разных токах, а вот был старенький блоки питания ATX от компа. Зародилась идея приспособить комповский блок под регулируемый источник питания. Прогуглив тему, нашел несколько переделок, но все они предлагали радикально выкинуть всю защиту и фильтры, а мы бы хотелось сохранить весь блок на случай, если придется использовать его по прямому назначению. Поэтому я начал эксперименты. Цель — не вырезая начинку создать регулируемый блок питания с пределами изменения напряжений от 0 до 30 В.

Часть 1. Так себе.

Блок для опытов попался достаточно старый, слабый, но напичканный множеством фильтров. Блок был в пыли и поэтому перед запуском я его вскрыл и почистил. Вид деталей подозрений не вызвал. Раз все устраивает — можно делать пробный пуск и измерить все напряжения.

+3,3 В — оранжевый

По входу блока стоит предохранитель, а рядом напечатан тип блока LC16161D.

Блок типа ATX имеет разъем для подсоединения его к материнской плате. Простое включение блока в розетку не включает сам блок. Материнская плата замыкает два контакта на разъеме. Если их замкнуть — блок включится и вентилятор — индикатор включения — начнет вращение. Цвет проводов, которые нужно замыкать для включения, указан на крышке блока, но обычно это "черный" и "зеленый". Нужно вставить перемычку и включить блок в розетку. Если убрать перемычку блок отключится.

Блок TX включается от кнопки, которая находится на кабеле, выходящем из блока питания.

Понятно, что блок рабочий и прежде чем начать переделку, нужно выпаять предохранитель, стоящий по входу, и впаять вместо него патрон с лампочкой накаливания. Чем больше по мощности лампа, тем меньше напряжения будет на ней падать при тестах. Лампа защитит блок питания от всех перегрузок и пробоев и не даст выгореть элементам. При этом импульсные блоки практически нечувствительны к падению напряжения в питающей сети, т.е. лампа хоть и будет светить и кушать киловатты, но по выходным напряжениям просадки от лампы не будет. Лампа у меня на 220 В, 300 Вт.

Блоки строятся на управляющей микросхеме TL494 или ее аналог KA7500 . Также часто используется компоратор на микрухе LM339 . Вся обвязка приходит сюда и именно здесь придется делать основные изменения.

Напряжения в норме, блок рабочий. Приступаем к усовершенствованию блока по регулированию напряжений. Блок импульсный и регулирование происходит за счет регулирования длительности открытия входных транзисторов. Кстати, всегда думал, что колебают всю нагрузку полевые транзисторы, но, на самом деле, используются также быстрые переключающиеся биполярные транзисторы типа 13007, которые устанавливаются и в энергосберегающих лампах. В схеме блока питания нужно найти резистор между 1 ножкой микросхемы TL494 и шиной питания +12 В. В данной схеме он обозначается R34 = 39,2 кОм. Рядом установлен резистор R33 = 9 кОм, который связывает шину +5 В и 1 ножку микросхемы TL494. Замена резистора R33 ни к чему не приводит. Нужно заменить резистор R34 переменным резистором 40 кОм, можно и больше, но поднять напряжение по шине +12 В получилось только до уровня +15 В, поэтому в завышении сопротивления резистора смысла нет. Здесь идея в том, что чем выше сопротивление, тем выше выходное напряжение. При этом до бесконечности напряжение не увеличится. Напряжение между шинами +12 В и -12 В изменяется от 5 до 28 В.

Найти нужный резистор можно проследив дорожки по плате, либо при помощи омметра.

Выставляем переменный впаянный резистор в минимальное сопротивление и обязательно подключаем вольтметр. Без вольтметра тяжело определить изменение напряжений. Включаем блок и на вольтметре на шине +12 В установилось напряжение 2,5 В, при этом вентилятор не крутится, а блок питания немного поет на высокой частоте, что указывает на работу ШИМ на сравнительно небольшой частоте. Крутим переменный резистор и видим увеличение напряжений на всех шинах. Вентилятор включается примерно на +5 В.

Замеряем все напряжения по шинам

Напряжения в норме, кроме шины -12 В, и их можно варьировать для получения необходимых напряжений. Но компьютерные блоки сделаны так, чтобы по отрицательным шинам защита срабатывала при достаточно малых токах. Можно взять автомобильную лампочку на 12 В и включить между шиной +12 В и шиной 0. При увеличении напряжения лампочка станет светить все более ярко. При этом постепенно будет светить и лампа, включенная вместо предохранителя. Если включить лампочку между шиной -12 В и шиной 0, то при малом напряжении лампочка светится, но при определенном токе потребления блок уйдет в защиту. Защита срабатывает на ток порядка 0,3 А. Защита по току выполнена на резистивно-диодном делителе, чтобы его обмануть, нужно отключить диод между шиной -5 В и средней точкой, которая соединяет шину -12 В с резистором. Можно обрубить два стабилитрона ZD1 и ZD2. Стабилитроны применены как защита от перенапряжения и конкретно здесь через стабилитрон идет и защита по току. По крайней мере с шины — 12 В удалось взять 8 А, но это чревато пробоем микрухи обратной связи. В итоге путь тупиковый обрубать стабилитроны, а вот диод — вполне.

Для проверки блока нужно использовать переменную нагрузку. Наиболее рациональным является кусок спирали от нагревателя. Витой нихром — вот все что нужно. Для проверки включается нихром через амперметр между выводом -12 В и +12 В, регулируем напряжение и измеряем ток.

Выходные диоды для отрицательных напряжений значительно меньше тех, которые используются для положительных напряжений. Нагрузка соответственно также ниже. Более того, если в положительных каналах стоят сборки из диодов Шоттки, то в отрицательных каналах впаян обычный диод. Порой его припаивают к пластинке — типа радиатор, но это бред и для того чтобы поднять ток в канале -12 В нужно заменить диод, на что-то более сильное, но при этом сборки из диодов Шоттки у меня сгорели, а вот обычные диоды вполне неплохо тянули. Следует отметить, что защита не срабатывает, если нагрузка включена между разными шинами без шины 0.

Последним тестом является защита от короткого замыкания. Коротим накоротко блок. Защита работает только на шине +12 В, ведь стабилитроны отключили практически всю защиту. Все остальные шины по короткому не отключают блок. В итоге получен регулируемый блок питания из компьютерного блока с заменой одного элемента. Быстро, а значит экономически целесообразно. При тестах выяснилось, что если быстро крутить ручку регулировки, то ШИМ не успевает перестроиться и выбивает микруху обратной связи KA5H0165R , а лампа загорается очень ярко, затем входные силовые биполюсные транзисторы KSE13007 могут вылететь, если вместо лампы предохранитель.

Короче, все работает, но достаточно ненадежно. В таком виде нужно использовать только регулируемую шину +12 В и неинтересно медленно крутить ШИМ.

Часть 2. Более-менее.

Вторым экспериментом стал древнющий блок питания TX. Такой блок имеет кнопочку для включения — достаточно удобно. Переделку начинаем с перепайки резистора между +12 В и первой ножкой микрухи TL494. Резистор от +12 В и 1 ножкой ставится переменный на 40 кОм. Это дает возможность получить регулируемые напряжения. Все защиты остаются.

Далее нужно изменить пределы тока для отрицательных шин. Я впаял резистор, который выпаял из шины +12 В, и впаял в разрыв шины 0 и 11 ножкой микрухи TL339. Там уже стоял один резистор. Предел токов изменился, но при подключении нагрузки напряжение на шине -12 В сильно падало при увеличении тока. Скорее всего просаживает всю линию отрицательного напряжения. Потом я заменил перепаянный резак на переменный резистор — для подбора срабатываний по току. Но получилось неважно — нечетко срабатывает. Надо будет попробовать убрать этот дополнительный резистор.

Измерение параметров дало следующие результаты:

Собственно, идея сделать лабораторный блок питания с регулируемым выходным напряжением и током из компьютерного – не нова. В интернете встречается немало вариантов подобных переделок.

Преимущества очевидны:
1. Такие блоки питания буквально «валяются под ногами».
2. Они содержат в себе все основные компоненты, а главное, готовые импульсные трансформаторы.
3. Они имеют превосходные массогабаритные характеристики – подобный трансформаторный блок питания весил бы более 10 кг (этот 1,3 кг всего).

Правда, они не лишены и недостатков:
1. Из-за импульсного преобразования – выходное напряжение содержит богатый спектр высокочастотных помех, что делает их ограниченно применимыми для питания радиостанций.
2. Не позволяют гарантированно получить низкое напряжение на выходе (менее 5 В) при малых токах нагрузки. Это относится только к АТ блокам питания, в которых нет дежурного источника. В ATX напряжение регулируется от 0 В.

И, тем не менее, такой блок питания прекрасно подходит для питания автомобильной электроники в домашних условиях, при проверке и отладке электронных устройств. А наличие режима стабилизации тока позволяет использовать его как универсальное зарядное устройство для большой гаммы аккумуляторов!

Выходное напряжение — от 1 до 20 В
Выходной ток — до 10 А
Масса 1,3 кг

Внимание: это первая статья про переделку блока питания. Читайте также вторую часть!

Для начала, давайте разберёмся, какие блоки питания годятся для переделки. Лучшим образом, для лабораторного блока питания годятся как раз старые блоки питания AT или ATX, собранные на ШИМ-контроллере TL494 (он же: μPC494, μА494, KIA494, AZ494AP, M5T494P, UTC51494, KA7500, AZ7500BP, IR3M02, МВ3759, КР1114ЕУ4 и др. аналогах) мощностью 200 – 250 Вт. Таких встречается большинство! Современные ATX12B, на 350 – 450 Вт, конечно тоже не проблема переделать, но всё же они лучше годятся для блоков питания с фиксированным выходным напряжением (например, 13,8 В).

Для дальнейшего понимания сути переделки, рассмотрим принцип работы блока питания для компьютера.

Более-менее стандартизированные блоки питания (PC/XT, AT, PS/2) для компьютеров появились в начале 80-х годов благодаря компании IBM, и просуществовали до 1996 года. Давайте рассмотрим их принцип действия по структурной схеме:

Сетевое напряжение поступает в блок питания через фильтр электромагнитных помех, который препятствует распространению высокочастотных помех от импульсного преобразователя в питающую сеть. За ним следует выпрямитель и сглаживающий фильтр, на выходе которого получаем постоянное напряжение 310 В. Это напряжение поступает на полумостовой инвертор, который преобразует его в прямоугольные импульсы и подаёт на первичную обмотку понижающего трансформатора T1.

Напряжения со вторичных обмоток трансформатора поступают на выпрямители и сглаживающие фильтры. В итоге, на выходе мы получаем необходимые постоянные напряжения.

При подаче питания, в начальный момент, инвертор запускается в режиме автогенерации, а после появления напряжений на вторичных выпрямителях, в работу включатся ШИМ-контроллер (TL494), который синхронизирует работу инвертора, подавая запускающие импульсы в базы ключевых транзисторов через развязывающий трансформатор T2.

В блоке питания используется широтно-импульсное регулирование выходного напряжения. Для увеличения напряжения на выходе, контроллер увеличивает длительность (ширину) импульсов запуска, а для уменьшения – уменьшает.

Стабилизация выходного напряжения в таких блоках питания часто осуществляется только по одному выходному напряжению (+5 В, как самому важному), иногда по двум (+5 и +12), но с приоритетом +5 В. Для этого, на вход компаратора контроллера (вывод 1 TL494, через делитель) поступает выходное напряжение. Контроллер подстраивает ширину импульсов запуска, для поддержания этого напряжения на необходимом уровне.

Также, блок питания имеет систему защиты 2 видов. Первую – от превышения суммарной мощности и короткого замыкания, и вторую, от перенапряжения на выходах. В случае перегрузки, схема останавливает работу генератора импульсов в ШИМ-контроллере (подавая +5 В на вывод 4 TL494).

Кроме того, блок питания содержит узел (на схеме не показан), формирующий на выходе сигнал POWER_GOOD («напряжения в норме»), после выхода блока питания на рабочий режим, разрешающий запуск процессора в компьютере.

Блок питания AT (PC/XT, PS/2) имеет всего 12 основных проводов для подключения к материнской плате (2 разъёма по 6 контактов). В 1995 году компания Intel с ужасом обнаружила, что существующие блоки питания не справляются с возросшей нагрузкой, и ввела стандарт на 20-ти/24-контактный разъём. Кроме того, мощности стабилизатора +3,3 В на материнской плате для питания процессора также перестало хватать, и его перенесли в блок питания. Ну и Microsoft, ввела в операционную систему Windows, режимы управления питанием Advanced Power Management (APM)… Так, в 1996 году появился современный блок питания ATX.

Рассмотрим отличия блока питания ATX от старых AT по его структурной схеме:

Режим Advanced Power Management (APM) потребовал отказаться от сетевого выключателя и ввести в блок питания второй импульсный преобразователь – источник дежурного напряжения +5 В. Этот маломощный блок питания работает всегда, когда сетевая вилка включена в сеть. Первичное напряжение на него поступает от того же выпрямителя и фильтра, что и на основной инвертор.

Кроме того, питание на ШИМ-контроллер в ATX поступает от этого же дежурного источника (не стабилизированные 12 — 22 В), а автозапуск инвертора отсутствует. Поэтому, блок питания стартует только при наличии импульсов запуска от контроллера. Включение основного блока питания осуществляется включением генератора импульсов ШИМ-контроллера сигналом PS_ON (замыканием его на массу) через схему защиты.

При переделке БП ATX, источник дежурного напряжения нужно сохранить. Во-первых, он будет питать достаточным напряжением ШИМ-контроллер при установке на выходе основного выпрямителя очень низкого напряжения (вплоть до 0 В). Во-вторых, от него можно запитать вентилятор, через 12 В стабилизатор. Характерные особенности переделки именно ATX БП изложены во второй части статьи.

Вот, и все основные отличия.

Как выбрать блок питания для переделки?

Как известно, блоки питания изготавливаются в Китае. А это может повлечь за собой отсутствие некоторых компонентов, которые они сочли «лишними»:

1. На входе может отсутствовать фильтр электромагнитных помех. Самое главное в фильтре – это дроссель, намотанный на ферритовом кольце. Обычно, его прекрасно видно сквозь лопасти вентилятора. Вместо него могут оказаться проволочные перемычки. Наличие фильтра – косвенный признак качественного блока питания!

2. Также, нужно посмотреть на размер понижающего трансформатора (тот который побольше). От него зависит максимальная мощность блока питания. Высота его должна быть не менее 3 см. Встречаются блоки питания с трансформатором высотой менее 2 см. Мощность таких 75 Вт, даже если написано 200.

3. Для проверки работоспособности блока питания подключите к нему нагрузку. Я использую автомобильные лампы фар мощностью 50 – 55 Вт напряжением 12 В. Обязательно одну подсоедините к цепи +5 В (красный провод), а вторую, к цепи +12 В (жёлтый провод). Включите блок питания. Отсоедините разъём вентилятора (или, если на нём сэкономили китайцы, просто остановите рукой). Блок питания не должен пищать.

Спустя минуту отключите его от сети и пощупайте рукой температуру радиаторов и дросселя групповой фильтрации в фильтре вторичных напряжений. Дроссель должен быть холодный, а радиаторы тёплыми, но не раскалёнными!

Я использовал блок питания 1994 года выпуска мощностью 230 Вт – тогда ещё не экономили.

Переделка блока питания

Начать нужно с чистки блока питания от пыли. Для этого отсоедините (отпаяйте) от платы сетевые провода и провода к переключателю 110/220 – он нам больше не понадобится, т.к. в положении 220 В выключатель разомкнут. Выньте плату из корпуса. Пылесос, жёсткая кисточка, и вперёд!

Далее, нужно попытаться найти электрическую принципиальную схему вашего блока питания, или хотя бы максимально на неё похожую (отличаются они не существенно). Она вам поможет ориентироваться в номиналах «отсутствующих» компонентов. Рекомендую искать здесь. Я не исключаю, что, как и мне, вам придётся некоторые узлы срисовывать с платы.

Далее нужно выполнить несколько общих модификаций по установке недостающих частей и умощнению цепей первичного напряжения и инвертора. Рассмотрим на примере электрической схемы моего блока питания.

Номиналы заменяемых компонентов на схеме выделены красным цветом. У вновь устанавливаемых компонентов, красным цветом выделены позиционные обозначения.

1. Проверьте наличие всех конденсаторов и дросселя в фильтре электромагнитных помех. При отсутствии – установите их (у меня отсутствовал только C2). Я также установил второй, дополнительный фильтр помех, выполненный в виде гнезда для подключения сетевого шнура.

2. Посмотрите типы используемых диодов в выпрямителе (D1 – D4). Если там стоят диоды с током до 1 А (например, 1N4007) – замените их минимум на 2-х амперные, или установите диодный мост. У меня стоял 2-х амперный мост.

3. В подавляющем большинстве блоков питания в фильтре первичного напряжения установлены конденсаторы ёмкостью не более 200 мкФ (С5 – С6). Для отдачи полной мощности, замените их конденсаторами ёмкостью 470 – 680 мкФ, подходящими по размерам, напряжением не менее 200 В. Предпочтение следует отдавать группе 105°C.

4. Транзисторы в полумостовом инверторе (Q1, Q2) могут быть самые разнообразные. В принципе, большинство из них греется не криминально. Для снижения нагрева, их можно заменить на более мощные – например, 2SC4706, установив их на радиатор, через изолирующие прокладки. Я пошёл ещё дальше и заменил оба радиатора на более эффективные.

5. В процессе испытания блока питания под максимальной нагрузкой, у меня нагрелся и лопнул конденсатор С7 (обычно это 1 мкФ 250 В). Этот конденсатор не должен греться вообще. Я думаю, он был неисправен, но заменил его всё же на 2,2 мкФ 400 В.

Теперь рассмотрим структурную схему переделанного блока питания:

Для модификации нам потребуется удалить все вторичные выпрямители, кроме одного (правда, заменив в нём почти все компоненты), удалить схему PS_ON (что бы БП ключался автоматически), переделать схему защиты, добавить схему управления, шунт (R1, входит в состав амперметра) и измерительные приборы. Элементы схемы POWER_GOOG тоже можно удалить. Теперь подробнее.

Для снятия выходного напряжения используется 12-ти вольтовая обмотка понижающего трансформатора T1. В наиболее мощных и качественных БП, цепи выпрямителя и фильтра +12 В уже имеют второй дроссель и достаточно места для установки электролитических конденсаторов. Но если в цепи фильтра +12 В нет второго дросселя, то лучший вариант — монтировать всё на месте 5-ти вольтового, а затем, перекинуть на него выводы обмотки 12 В. Ниже я опишу именно второй вариант.

Выпрямитель вторичных напряжений и фильтр, после переделки должны выглядеть следующим образом:

1. Выпаяйте все элементы выпрямителей и фильтров +5, +12 и -12 В. За исключением демпферных цепочек R1, C1, R2, С2 и R3, C3 и дросселя L2. Впоследствии, при выходном напряжении порядка 20 В я заметил нагрев резистора R1 и заменил его на 22 Ом.

2. Отрежьте дорожки, ведущие от 5-ти вольтовых отводов обмотки трансформатора T1 к диодной сборке выпрямителя +5 В, сохранив при этом её соединение с диодами выпрямителя –5 В (он нам ещё понадобится).

3. На месте диодной сборки выпрямителя +5 В (D3) установите сборку на диодах Шоттки на ток 2х30 А и обратное напряжение не менее 100 В, например, 63CPQ100, 60CPQ150. (Штатная 5-ти вольтовая сборка диодов имеет обратное напряжение всего 40 В, а штатные диоды в выпрямителе 12 В рассчитаны на слишком слабый ток – их использовать нельзя.) Эта сборка практически не греется при работе.

4. Соедините толстыми проволочными перемычками выводы 12-ти вольтовой обмотки с установленной диодной сборкой. Демпферные цепи R1, C1, подключенные к этой обмотке, сохранены.

5. В фильтре, вместо штатных, установите электролитические конденсаторы (C5, C6) ёмкостью 1000 – 2200 мкФ на напряжение не менее 25 В. А также добавьте керамические конденсаторы C4 и C7. Установите вместо штатного, нагрузочный резистор 100 Ом, мощностью 2 Вт.

6. Если в процессе проверки блока питания под нагрузкой, дроссель групповой фильтрации (L1) не нагревался, то его достаточно перемотать. Смотайте с него все обмотки, считая витки. (Обычно, 5 В обмотки содержат 10 витков, а 12 В – 20 витков.) Намотайте новую обмотку двумя проводами, сложенными вместе диаметром 1,0 – 1,3 мм (аналогично штатной 5-ти вольтовой) и числом витков 25-27. Если в процессе работы будет греться, то увеличьте число витков до 50-ти.

Если же дроссель грелся, то его сердечник испорчен (есть такая проблема у порошкового железа – «спекается») то придётся искать новый сердечник из порошкового железа (не ферритовый!). Мне пришлось купить кольцевой сердечник белого цвета чуть большего диаметра и намотать новую обмотку. Вообще не греется.

7. Дроссель L2 остаётся штатный, от 5-ти вольтового фильтра (обычно это несколько витков на ферритовом стержне).

8. Для питания вентилятора в БП AT используется 5-ти вольтовая обмотка, и разводка выпрямителя –5 В, которую переделываем в +12. Диоды используются штатные, от выпрямителя –5 В (D1, D2), их необходимо запаять обратной полярностью. Дроссель уже не нужен – запаяйте перемычку. А на место штатного конденсатора фильтра, установите конденсатор ёмкостью 470 мкФ 16 В, естественно, обратной полярностью. Бросьте перемычку от выхода фильтра (бывш. –5 В), к разъёму вентилятора. Непосредственно около разъёма, установите керамический конденсатор C9. Напряжение на вентиляторе у меня составляет +11,8 В, при малых токах нагрузки оно снижается.

Это самый простой способ получить "стабильные" +12 В в регулируемом БП AT для вентилятора. Если же вы переделываете БП ATX то используйте для питания вентилятора напряжение (12-22 В) дежурного источника напряжения, включив вентилятор, если требуется, через стабилизатор 12 В, например 7812. Только увеличьте ёмкости конденсаторов в этом источнике раз в 10. Подробнее этот вопрос изложен во второй части статьи.

Если в вашем БП вентилятор получал питание от схемы управления по температуре, то лучше сохранить её. Это уменьшит шум от работы БП при малых нагрузках.

9. В цепи питания ШИМ-контроллера (Vcc), необходимо увеличить ёмкости конденсаторов фильтров C10 и C11. Напряжение с конденсатора C10 (Vdd) используется для питания цифровых амперметра и вольтметра.

Если вы переделываете БП ATX, в котором имеется источник дежурного напряжения (+5V_SB), – сохраните его! В штатной схеме он используется как второй (параллельный) источник питания для ШИМ-контроллера (развязанный через диод). Это позволит сохранять высокое напряжение питания ШИМ, даже при низком напряжении на выходе блока питания (основного выпрямителя). Подробнее этот вопрос изложен во второй части статьи.

Сегодня хотел бы рассказать Вам о своём опыте переделки самого обычного китайского БП ATX в регулируемый источник питания со стабилизацией тока и напряжения(0-20А, 0-24В).

В этой статье мы подробно рассмотрим работу ШИМ контроллера TL494, обратной связи и пробежимся по модернизации схемы БП и разработке самодельной платы усилителей ошибок по напряжению и току.

Честно признаться, сейчас я даже не могу назвать модель подопытного БП. Какой-то из многочисленных дешевых 300W P4 ready. Надеюсь, не нужно напоминать, что на деле эти 300W означают не больше 150, и то с появлением в квартире запаха жареного.

Рассчитываю на то, что мой опыт сможет быть кому-то полезен с практической точки зрения, а потому упор сделаю на теорию. Без нее всё равно не получится переделать БП т.к. в любом случае будут какие-то отличия в схеме и сложности при наладке.

Схема БП ATX
Для начала пройдемся по схеме БП ATX на контроллере TL494(и его многочисленных клонах).
Все схемы очень похожи друг на друга. Гугл выдает их довольно много и кажется я нашел почти соответствующую моему экземпляру.


Ссылка на схему в полном размере

Структурно разделим БП на следующие блоки:
— выпрямитель сетевого напряжения с фильтром
— источник дежурного питания(+5V standby)
— основной источник питания(+12V,-12V,+3.3V,+5V,-5V)
— схема контроля основных напряжений, генерация сигнала PowerGood и защита от КЗ

Выпрямитель с фильтрами это всё что в левом верхнем углу схемы до диодов D1-D4.

Источник дежурного питания собран на трансформаторе Т3 и транзисторах Q3 Q4. Стабилизация построена на обратной связи через опторазвязку U1 и источнике опорного напряжения TL431. Подробно рассматривать работу этой части я не буду т.к. знаю, что слишком длинные статьи читать не очень весело. В конце я дам название книги, где подробно рассмотрены все подробности.

Обратите внимание, в схеме по ошибке и ШИМ контроллер TL494 и ИОН дежурного питания TL431 обозначены как IC1. В дальнейшем я буду упоминать IC1 имея ввиду именно ШИМ контроллер.

Основной источник питания собран на трансформаторе Т1, высоковольтных ключах Q1 Q2, управляющем трансформаторе Т2 и низковольтных ключах Q6 Q7. Всё это дело раскачивается и управляется микросхемой ШИМ контроллера IC1. Понимание принципа работы контроллера и назначения каждого элемента его обвязки — это как раз то, что необходимо для сознательной доработки БП вместо слепого повторения чужих рекомендаций и схем.

Механизм работы примерно таков: ШИМ контроллер, поочередно открывая низковольтные ключи Q6 Q7, создает ЭДС в первичной обмотке трансформатора Т2. Видите, эти ключи питаются низким напряжением от дежурного источника питания? Найдите на схеме R46 и поймете о чем я. ШИМ контроллер также питается от этого дежурного напряжения. Чуть выше я назвал трансформатор Т2 управляющим, но кажется у него есть какое-то более правильное название. Его основная задача — гальваническая развязка низковольтной и высоковольтной части схемы. Вторичные обмотки этого трансформатора управляют высоковольтными ключами Q1 Q2, поочередно открывая их. С помощью такого трюка низковольтный ШИМ контроллер может управлять высоковольтными ключами с соблюдением мер безопасности. Высоковольтные ключи Q1 Q2 в свою очередь раскачивают первичную обмотку трансформатора Т1 и на его вторичных обмотках возникают интересующие нас основные напряжения. Высоковольтными эти ключи называются потому, что коммутируют они выпрямленное сетевое напряжение, а это порядка 300В! Напряжение со вторичных обмоток Т1 выпрямляется и фильтруется с помощью LC фильтров.

Теперь, надеюсь, в целом картину вы себе представляете и мы можем идти дальше.

ШИМ контроллер TL494.
Давайте разберемся как же устроен ШИМ контроллер TL494.
Будет лучше, если вы скачаете даташит www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf, но в принципе я постараюсь вынести из него самое главное с помощью картинок. Для более глубокого понимания всех тонкостей советую вот этот документ: www.ti.com/lit/an/slva001e/slva001e.pdf

Начнем, как это ни странно, с конца — с выходной части микросхемы.
Сейчас всё внимание на выход элемента ИЛИ (помечен красным квадратом).
Выход этого элемента в конкретный момент времени напрямую управляет состоянием одного или обоих сразу ключей Q1 Q2.
Вариант управления задаётся через пин 13(Output control).

Важная вещь №1: если на выходе элемента ИЛИ лог 1 — выходные ключи закрыты(выключены). Это верно для обоих режимов.
Важная вещь №2: если на выходе элемента ИЛИ лог 0 — один из ключей(или оба сразу) открыт(включен).

Вырисовывается следующая картина: по восходящему фронту открытый ранее транзистор закрывается(в этот момент они оба гарантированно закрыты), триггер меняет своё состояние и по нисходящему фронту включается уже другой ключ и будет оставаться включенным пока снова не придет восходящий фронт и не закроет его, в этот момент опять триггер перещёлкивается и следующий нисходящий фронт откроет уже другой транзистор. В single ended режиме ключи всегда работают синхронно и триггер не используется.

Время, когда выход находится в лог. 1(и оба ключа закрыты) называется Dead time.
Отношение длительности импульса(лог. 0, транзистор открыт) к периоду их следования называется коэффициент заполнения(PWM duty cycle). Например если коэффициент 100% то на выходе элемента ИЛИ всегда 0 и транзистор(или оба) всегда открыт.

Простите, но стараюсь объяснять максимально доступно и почти на пальцах, потому что официальным сухим языком это можно и в даташите прочитать.

Ах да, зачем же нужен Dead time? Если коротко: в реальной жизни верхний ключ будет тянуть наверх(к плюсу) а нижний вниз(к минусу). Если открыть их одновременно — будет короткое замыкание. Это называется сквозной ток и из-за паразитных емкостей, индуктивностей и прочих особенностей такой режим возникает даже если вы будете открывать ключи строго по очереди. Чтобы сквозной ток свести к минимуму нужен dead time.

Теперь обратим внимание на генератор пилы(oscillator), который использует выводы 5 и 6 микросхемы для установки частоты.
На эти выводы подключается резистор и конденсатор. Это и есть тот самый RC генератор о котором наверное многие слышали. Теперь на выводе 5(CT) у нас пила от 0 до 3.3В. Как видим, эта пила подается на инвертирующие входы компараторов Dead-time и PWM.

С терминами и работой выходной части ШИМ контроллера более-менее определились, теперь будем разбираться при чем тут пила и зачем нам все эти компараторы и усилители ошибок. Мы поняли, что отношение длительности импульса к периоду их следования определяет коэффициент заполнения, а значит и выходное напряжение источника питания т.к. в первичную обмотку трансформатора будет вкачиваться тем больше энергии, чем больше коэффициент заполнения.

Для примера разберемся, что нужно сделать чтобы установить коэффициент заполнения 50%. Вы еще помните про пилу? Она подается на инвертирующие входы компараторов PWM и Dead time. Известно, что если напряжение на инвертирующем входе выше чем на неинвертирующем — выход компаратора будет лог.0. Напомню, что пила — это плавно поднимающийся от 0 до 3.3в сигнал, после чего резко падающий на 0в.
Таким образом, чтобы на выходе компаратора 50% времени был лог.0 — на неинвертирующий вход нужно подать половину напряжения пилы(3.3в/2=1,65в). Это и даст искомые 50% duty cycle.

Заметили, что оба компаратора сходятся на том самом элементе ИЛИ, а значит, пока какой-то из компараторов выдает лог.1 — другой не может ему помешать. Т.е. приоритет имеет тот компаратор, который приводит к меньшему коэффициенту заполнения. И если на Dead time компаратор напряжение подается снаружи, то на PWM компаратор можно подать сигнал как извне(3 пин) так и с встроенных усилителей ошибок(это обычные операционные усилители). Они тоже соединяются по схеме ИЛИ, но т.к. мы уже имеем дело с аналоговым сигналом — схема ИЛИ реализуется с использованием диодов. Таким образом контроль над коэффициентом заполнения захватывает тот усилитель ошибки, который просит меньший коэффициент заполнения. Состояние другого при этом не имеет значения.

Обратная связь.
Хорошо, теперь как на всём этом построить источник питания? Очень просто! Нужно охватить БП отрицательной обратной связью. Разница между желаемым(заданным) и имеющимся напряжением называется ошибка. Если в каждый момент времени воздействовать на коэффициент заполнения так, чтобы исправить ошибку и привести ее к 0 — получим стабилизацию выходного напряжения(или тока). Обратная связь является отрицательной до тех пор, пока реагирует на ошибку управляющим воздействием с противоположным знаком. Если обратная связь будет положительной — пиши пропало! В таком случае обратная связь будет увеличивать ошибку вместо того чтобы уменьшать ее.

Всё это работа для тех самых усилителей ошибок. На инвертирующий вход усилителя ошибки подается опорное напряжение(эталон), а на неинвертирующий заводится напряжение на выходе источника питания. Кстати внутри ШИМ контроллера есть источник опорного напряжения 5В, который является точкой отсчёта во всех измерениях.

Компенсация обратной связи
Даже не знаю как бы по-проще это объяснить. С обратной связью всё просто только в идеальном мире. На практике же если вы изменяете коэффициент заполнения — выходное напряжение меняется не сразу, а с некоторой задержкой.

К примеру усилитель ошибки зарегистрировал понижение напряжения на выходе, откорректировал коэффициент заполнения и прекратил вмешиваться в систему, но напряжение продолжает нарастать и потом усилитель ошибки вынужден снова корректировать коэффициент заполнения уже в другую сторону. Такая ситуация происходит из-за задержки реакции. Так система может перейти в режим колебаний. Они бывают затухающими и незатухающими. Блок питания в котором могут возникнуть незатухающие колебания сигнала обратной связи — долго не протянет и является нестабильным.

У обратной связи есть определенная полоса пропускания. Допустим полоса 100кГц. Это означает, что если выходное напряжение будет колебаться с частотой выше 100кГц — обратная связь этого просто не заметит и корректировать ничего не будет. Конечно, хотелось бы, чтобы обратная связь реагировала на изменения любой частоты и выходное напряжение было как можно стабильнее. Т.е. борьба идет за то, чтобы обратная связь была максимально широкополосной. Однако та самая задержка реакции не позволит нам сделать полосу бесконечно широкой. И если полоса пропускания цепи обратной связи будет шире чем возможности самого БП на отработку управляющих сигналов(прямая связь) — на некоторых частотах отрицательная обратная связь будет внезапно становиться положительной и вместо компенсации ошибки будет ее еще больше увеличивать, а это как раз условия возникновения колебаний.

Теперь от задержек в секундах давайте перейдем к частотам, коэффициентам усиления и фазовым сдвигам…
Полоса пропускания это максимальная частота, на которой коэффициент усиления больше 1.
С увеличением частоты коэффициент усиления уменьшается. В принципе это справедливо для любого усилителя.
Итак, чтобы наш БП работал стабильно должно выполняться одно условие: во всей полосе частот, где суммарное усиление прямой и обратной связи больше 1(0дБ), отставание по фазе не должно превышать 310 градусов. 180 градусов вносит инвертирующий вход усилителя ошибки.

Вводом в обратную связь различных фильтров добиваются того, чтобы это правило выполнялось. Если очень грубо, то компенсация обратной связи это подгонка полосы пропускания и ФЧХ обратной связи под реакции реального источника питания(под характеристики прямой связи).

Тема эта очень не простая, под ней лежит куча математики, исследований и прочих трудов… Я лишь стараюсь в доступном виде изложить саму суть вопроса. Могу порекомендовать к прочтению вот эту статью, где хоть и не так на пальцах, но тоже в доступном виде освещен этот вопрос и даны ссылки на литературу: bsvi.ru/kompensaciya-obratnoj-svyazi-v-impulsnyx-istochnikax-pitaniya-chast-1

От теории к практике
Теперь мы можем взглянуть на схему БП и понять что в ней много лишнего. В первую очередь я выпаял всё, что относится к контролю выходных напряжений(схема формирования сигнала Power good). Нейтрализовал встроенные в ШИМ контроллер усилители ошибок путем подачи +5vref на инвертирующие входы и посадив на GND неинвертирующие. Удалил штатную схему защиты от КЗ. Выпилил все не нужные выходные фильтры от напряжений которые не используются… Заменил выходные диоды на более мощные. Заменил трансформатор! Выпаял его из качественного БП где написанные 400W действительно означают 400W. Разница в размерах между тем, что стояло тут до этого говорит сама за себя:

Заменил дроссели в выходном фильтре(с того-же 400W БП) и конденсаторы поставил на 25В:

Далее я разработал схему, позволяющую регулировать стабилизацию выходного напряжения и устанавливать ограничение тока выдаваемого БП.

Схема реализует внешние усилители ошибок собранные на операционных усилителях LM358 и несколько дополнительных функций в виде усилителя шунта(INA197) для измерения тока, нескольких буферных усилителей для выдачи величины установленного и измеренного тока и напряжения на другую плату, где собрана цифровая индикация. О ней я расскажу в следующей статье. Выдавать на другую плату сигналы как есть — не лучшее решение т.к. источник сигнала может быть достаточно высокоомным, провод ловит шум, мешая обратной связи работать устойчиво. В первой итерации я с этим столкнулся и пришлось всё переделать. В принципе на схеме всё подписано, подробно комментировать ее не вижу смысла и думаю, что для тех кто понял теорию выше, должно быть всё довольно очевидно.

Отмечу лишь, что цепочки C4R10 и C7R8 это и есть компенсация обратной связи о которой я говорил выше. Честно говоря, в ее настройке очень помогла прекрасная статьи эмбэддера под ником BSVi. bsvi.ru/kompensaciya-obratnoj-svyazi-prakticheskij-podxod Этот подход реально работает и потратив денек-другой мне удалось добиться стабильной работы БП описанным в статье методом. Сейчас, конечно, я бы справился часа за два наверно, но тогда опыта не было и по неосторожности я взорвал не мало транзисторов.

Ах да, обратите внимание на емкость C7! 1uF это довольно много. Сделано это для того, чтобы обратную связь по току зажать в быстродействии. Это такой грязный хак для преодоления нестабильности возникающей на границе перехода от стабилизации напряжения к стабилизации тока. В таких случаях применяют какие-то более навороченные приёмы, но так заморачиваться я не стал. Супер точная стабилизация тока мне не нужна, к тому же к моменту, когда я столкнулся с этой бедой — проект переделки БП успел здорово надоесть!

По этой схеме лазерным утюгом была изготовлена плата:

Она встраивается в БП вот таким образом:

В качестве шунта для измерения тока выбран кусок медной проволоки длинной сантиметров 10 наверно.

Корпус я использовал от довольно качественного БП Hiper. Кажется это самый проветриваемый корпус из всех что я видел.

Также возник вопрос о подключении вентилятора. БП ведь регулируется от 0 до 24В, а значит кулер придется питать от дежурки. Дежурка представлена двумя напряжениями — стабильными 5В, которые идут на материнскую плату и не стабилизированным, служебным питанием около 13.5В которое используется для питания самого ШИМ контроллера и для раскачки управляющего трансформатора. Я использовал обычный линейный стабилизатор чтобы получить стабильные +12В и завёл их на маленькую платку терморегуляции оборотов кулера, выпаянную с того-же Hiper’a. Платку закрепил на радиаторе шурупом просто из соображений удобства подключения кулера.

Радиаторы кстати пришлось изогнуть ибо они не вмещались в корпус нового формата. Лучше перед изгибанием их нагревать паяльной станцией, иначе есть шанс отломать половину зубов. Терморезистор регулятора закрепил на дросселе групповой стабилизации т.к. это самая горячая часть.

В таком виде БП прошел длительные испытания, питая кучу автомобильных лампочек дальнего света и выдерживал нагрузки током порядка 20А при напряжении 14В. А еще он гордо зарядил несколько автомобильных аккумуляторов, когда у нас в Крыму выключали свет.

Будущее уже рядом
Тем временем я задумал немного нестандартную систему индикации режимов работы БП, о чем в последствии немного сожалел, но всё-же она работает!

Так что в следующей статье вас ждет программирование ATMega8 на C++ с применением шаблонной магии, различных паттернов и самописная библиотека для вычислений с фиксированной точкой поверх которой реализовано усреднение отсчётов АЦП и перевод их в напряжение/ток по таблице с линейной интерполяцией. Каким-то чудом всё это уместилось в 5 с копейками килобайт флэша.

Не переключайте канал, должно быть интересно.

Кстати, обещанная в начале книга:
Куличков А.В. «Импульсные блоки питания для IBM PC»
radioportal-pro.ru/_ld/0/15_caf3ebe8f7eaeee.djvu

P.S. Надеюсь, изложенное выше окажется полезным. Строго не судите, но конструктивная критика приветствуется.

Added для RO пользователей которые не могут писать комментарии: email: altersoft_пёс_mail.ру

Ссылка на основную публикацию
Как сделать красивый цветок из ткани
Сложно представить свадебную церемонию и торжество без цветов: они являются обязательным составляющим букета невесты и бутоньерки жениха, с их помощью...
Как сделать из обычной мышки игровую
Сегодня я Вам покажу, как из обычной мышки сделать мышь с виброотдачей. Думаю любителям шутеров и стрелялок это понравится. Ничего...
Как сделать из обычной футболки модную
Мы подготовили для вас 15 вдохновляющих идей по переделке футболки. Прекрасные идеи для лета! Бери на вооружение. 1.Футболка превращается в...
Как сделать кровать для кошек своими руками
Любимому питомцу наверняка нужно свое место в доме – маленькая и уютная лежанка, где можно согреться и спрятаться. В поисках...
Adblock detector