ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ IBM

СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО "БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н»

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

    Блоки питания (БП) для системных модулей IBM PC XT/AT предназначены для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, обеспечивающие работу всех узлов и блоков компьютера.
    Основной функцией источника электропитания является обеспечение стабильного заданного выходного напряжения при изменении в широких пределах входного напряжения, выходного тока и рабочей температуры. Степень, с которой источник электропитания обеспечивает стабильность выходного напряжения в вышеприведенных условиях, является основным показателем качества источника.
    БП системных модулей вырабатывают напряжения +5В, -5В, +12В, -12В, сигнал POWER GOOD (PG) и, как правило, имеют выходную мощность 150 или 200 Вт.
    Примерное распределение потребляемой мощности между отдельными компонентами компьютера выглядит следующим образом, Вт:

    Наиболее токонагруженным является канал выработки напряжения +5В (максимальный ток в нагрузке примерно 15А для 150-ваттного БП и 20А для 200-ваттного БП), затем - канал выработки напряжения +12В (максимальный ток в нагрузке достигает 5,5А для 150-ваттного БП и 8А для 200-ваттного БП ), затем - каналы выработки -5В и -12В (токи в нагрузке - по 0,5А).
    Сигнал PG имеет активный низкий уровень с момента включения БП и запрещает работу процессора до тех пор, пока выходные напряжения БП не достигнут номинального уровня, после чего сигнал PG становится высокого уровня и процессор запускается. При выключении БП из сети PG становится активного низкого уровня и инициализирует сигнал системного сброса RESET, прежде чем исчезнет питание +5 В цифровой части системного модуля. Этим предотвращаются сбои в работе цифровой части системного модуля, поведение которой при заниженном питании становится непредсказуемым (ложная запись в память и т.д.).
    В процессе работы компьютера, когда блок питания работает в номинальном режиме, PG имеет высокий уровень и не влияет на работу процессора. Многие БП мощностью менее 180 Вт, предназначенные для компьютеров класса XT, не формируют сигнала PG, и поэтому не совместимы с компьютерами класса AT.
    Как правило, на задней стенке БП имеется переключатель номинала сетевого напряжения 230В/115В.
    Внимание: необходимо следить за соответствием положения данного переключателя и напряжения сети, в противном случае БП выйдет из строя!
    Следует отметить, что в разных странах в качестве стандартных приняты различные значения питающих напряжений:
    110В- в Ливане:
    115В-в Тайване, Кубе, Колумбии;
    120В-в США, Канаде, Никарагуа;
    127В-в Алжире, Италии, Испании;
    220В- в большинстве стран Европы, СНГ;
    230В-в Индии, Норвегии;
    240В - в Великобритании, Австралии.
    Однако эти отличия являются несущественными для ИБП, т.к. находятся в его рабочем диапазоне допусков на напряжение питающей сети.
    Питающее напряжение сети обозначается на зарубежных схемах как, например, 220V АС. Сокращение AC (Alternating Current) применяется для обозначения напряжения переменного тока.
    Сокращение DC (Direct Current) применяется для обозначения напряжений постоянного тока, например, 5V DC.
    Выходные напряжения БП подаются ко всем узлам и блокам компьютера с помощью разноцветных проводов, собранных в жгуты. Количество выходных разъемов всегда одно и то же: четыре четырехконтактных и два шести контактных (изредка эти два шести контактных разъема объединены в один двенадцатиконтактный разъем). Шестиконтактные разъемы подсоединяются на системную плату, а четырехконтактные - на дисководы и накопители НГМД, НЖМД. По цвету провода можно определить, какое напряжение подается с его помощью на соответствующий контакт выходного разъема:
    красный.............................+5В±0,1В
    желтый..............................+12В±0,6В
    белый................................-5В±0,1В
    синий..................................-12В ± 0,6В
    оранжевый.........................PG
    черный..............................."корпус"
    Внимание: изредка встречаются отступления от стандартной цветовой маркировки!
    Все четырехконтактные разъемы имеют одинаковую цоколевку (рис.1), поэтому подключение их не вызывает затруднений. В ответной части для этих разъемов имеется "ключ", поэтому подключить разъем неправильно невозможно. С шестиконтактными разъемами ситуация иная. Сами разъемы одинаковые, а цоколевка у них разная. Это единственное место, где возможна ошибка при подключении. К сожалению, "ключ" на ответной части к этим разъемам позволяет установить их наоборот, т.е. поменять местами. С целью избежания такой ошибки в некоторых вариантах блоков два шестиконтактных разъема объединяются в один двенадцатиконтактный.

    Рис. 1. Четырехконтактный стандартный выходной разъем ИБП (розетка) и его цоколевка.
   
   
    Рис. 2. Правильная установка шестиконтактных выходных разъемов ИБП на системную плату и их цоколевка.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ БП

    Эти характеристики приводятся в сопроводительной документации на блок питания. Наиболее полно они представлены в инструкциях по эксплуатации (Operating Instruction Manual), предназначенных для специальных сервисных служб по ремонту и обслуживанию.
    Наиболее важные из характеристик, но в гораздо меньшем объеме, приводятся в рекламных проспектах и инструкциях для пользователя, приобретающего компьютер, укомплектованный данным типом блока. Такого рода документация известна под общим названием "Руководство для пользователя" (Users Manual).
    И, наконец, самые важные характеристики могут быть указаны в виде цветных табличек (Labels), наклеенных на металлический корпус блока. На них приводятся минимально необходимые технические характеристики для исключения ошибок при установке БП.
    Кроме того, поскольку к БП предъявляются жесткие требования в части электромагнитной совместимости, то в паспортных данных обязательно имеется ссылка на выполнение БП в соответствии со специальным стандартом на этот параметр. В данном руководстве такая ссылка имеется: блок сконструирован в соответствии с национальными стандартами BS800, VDE0871, СЕЕ15.
    Отдельным пунктом указывается о совместимости данного блока с IBM PC AT.
    Кроме перечисленных могут приводиться и другие характеристики. Например, в рекламном проспекте на БП PSQ-1-200 приводятся такие характеристики как: акустический шум (не более 38 dB), уровень радиопомех ( 54dB max в диапазоне частот 0,15-5 MHz и 48dB max в диапазоне 5-30 MHz).

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

    Блоки питания для компьютеров строятся по бестрансформаторной схеме подключения к питающей сети и представляют собой импульсные БП, которые характеризуются высоким КПД (более 70%), малым весом и небольшими габаритами.
    Однако импульсный БП является источником импульсных помех, что предъявляет к его схеме высокие требования в части электромагнитной совместимости с остальной схемой компьютера, а также с другими бытовыми электронными устройствами. Кроме того в бестрансформаторных ИБП нет гальванической развязки части схемы от напряжения сети, что требует принятия специальных мер безопасности при его ремонте. Основными функциональными частями ИБП являются:
    • входной помехоподавляющий фильтр;
    • сетевой выпрямитель;
    • сглаживающий емкостной фильтр;
    • схема пуска;
    • ключевой преобразователь напряжения с импульсным силовым трансформатором (силовой инвертор);
    • схема управления;
    • цепи формирования выходных напряжений, гальванически развязанные от питающей сети;
    • цепи формирования и передачи сигнала обратной связи на схему управления.
    В зависимости от назначения ИБП может содержать различные дополнительные схемы, например:
    • линейные стабилизаторы в интегральном или дискретном исполнении;
    • помехоподавляющие цепи;
    • схемы защиты от перегрузок по току, а также от входного и выходного пере- и недо-напряжения.
    Кроме того в схему ИБП могут включаться схемы формирования специальных управляющих сигналов, обеспечивающих согласованную работу ИБП с питаемой от него схемой.
    Для получения постоянных напряжений с помощью ИБП с бестрансформаторным входом в нем осуществляется тройное преобразование напряжения. Переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается. Полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсное прямоугольное напряжение частотой несколько десятков килогерц, которое трансформируется с соответствующим коэффициентом на вторичную сторону, выпрямляется и сглаживается. Определяющим узлом любого ИБП является ключевой преобразователь напряжения и в первую очередь его силовая часть (мощный выходной каскад). Выходные каскады всех разновидностей ИБП можно разделить на два больших класса: одно-тактные и двухтактные.

    Рисунок 3 - обобщенная схема однотактного импульсного блока питания.

    Рассмотрим работу обобщенной однотактной схемы импульсного блока питания, приведенной на рис. 3.
    Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости. В результате на выходе выпрямителя появляется постоянное положительное напряжение Uep = +310В. Этим напряжением за-питывается схема пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу после включения ИБП. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой порядка несколько десятков килогерц. Эти импульсы управляют состоянием (открыт/закрыт) мощного ключевого высокочастотного транзистора, нагрузкой которого является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора (ИВТ). В результате переключении транзисторного ключа во вторичных обмотках ИВТ наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются.
    Силовая часть однотактного преобразователя с бестрансформаторным входом может быть выполнена одним из двух возможных способов. Поэтому следует различать проточные (прямоходовые) и запорные (обратноходовые) преобразователи.
    В проточных преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей во вторичной цепи (ток через диоды выпрямителя) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в запорных - во время закрытого состояния этого транзистора. Тип преобразователя определяется выбором определенной полярности подключения выпрямительных диодов ко вторичным обмоткам импульсного трансформатора и конструктивными особенностями самого импульсного трансформатора.
    Принципиальная схема прямоходового преобразователя (преобразователя с пропускающим диодом) изображена на рис. 4,а. Энергия в цепь нагрузки передается через диод D1 во время открытого состояния транзистора Q1. Одновременно в сердечнике дросселя L1 накапливается магнитная энергия (токи через дроссель и первичную обмотку Т1 линейно нарастают), которая затем во время закрытого состояния Q1 выдается в нагрузку через диод D2. При этом ток дросселя линейно уменьшается. Магнитная энергия, накопленная в сердечнике трансформатора Т1 за время открытого состояния Q1, снова возвращается в источник во время закрытого состояния Q1. Этот возврат (рекуперация) осуществляется с помощью обмотки размагничивания и диода D3. В противном случае сердечник трансформатора оказался бы в состоянии насыщения, что при следующем открывании транзистора Q1 привело бы к выводу его из строя чрезмерно большим током первичной обмотки Т1, индуктивность которой была бы очень мала.
    Таким образом в прямоходовом преобразователе трансформатор служит только для трансформации энергии. Исходя из этого принципа трансформатор прямоходового преобразователя должен выполняться таким, чтобы запасаемая в его сердечнике магнитная энергия за время открытого состояния транзистора была бы минимальной.

    Рисунок4. Преобразователь с пропускающим (а) и запирающим (б) диодом (без схемы управления и согласующего каскада).

    Принципиальная схема обратноходового преобразователя (преобразователя с запирающим диодом) изображена на рис. 4,6. Трансформатор Т1 во время открытого состояния транзистора Q1 запасает магнитную энергию, т.к. через первичную обмотку Т1 и открытый Q1 протекает нарастающий во времени ток. Во время закрытого состояния транзистора Q1 трансформатор Т1 отдает накопленную энергию через диод D1 в конденсатор С1 и в нагрузку. Во время открытого состояния транзистора диод D1 закрыт, и нагрузка получает энергию только от конденсатора С1. Об-ратноходовой преобразователь является единственным типом преобразователя с одним только индуктивным элементом в виде трансформатора Т1, который служит для накопления и трансформации энергии. Поскольку трансформатор Т1 является накопительным элементом, то большое значение приобретает линейность характеристики намагничивания его сердечника в большом диапазоне значений индукции. Однако все магнитные материалы характеризуются наличием области насыщения, где изменение тока через первичную обмотку уже не вызывает изменения магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции.
    Для регулировки выходных напряжений в импульсных блоков питания в большинстве случаев используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в том, что изменяется длительность импульсов и пауз между ними при неизменной частоте преобразования. Соотношение между длительностью импульса и паузы зависит от уровня выходных напряжений и автоматически изменяется таким образом, чтобы поддерживать выходные напряжения на номинальном уровне.
    Выходное напряжение обратноходового преобразователя для режима непрерывных токов определяется по формуле:
    Uвых = (Uвх / n) · (q / 1 - q)
    п - коэффициент трансформации, Uex - уровень входного постоянного питающего напряжения,
    q - коэффициент заполнения, q=Ti/T (Ti - время открытого состояния транзистора, а Т - период переключения преобразователя).
    Примечание. Режимом непрерывных токов называется такой режим работы преобразователя, когда ток, протекающий через выпрямительный диод после запирания транзистора, не успевает уменьшиться до нуля к моменту следующего открывания транзистора.
    Для прямоходового преобразователя в режиме непрерывных токов это напряжение определяется по формуле:
    Uвых = (Uвх / n) · ((q / (1 - n + q / n))
    Таким обазом, регулируя q, можно регулировать выходное напряжение. Например, в случае увеличения выходных напряжений увеличивается напряжение обратной связи (ОС), подаваемое на схему управления (функциональный состав схемы управления будет подробно рассмотрен далее). В результате уменьшится длительность управляющих прямоугольных импульсов на выходе этой схемы управления, что приведет к уменьшению времени открытого состояния силового ключа за период. Это значит, что уменьшится время, в течение которого через первичную обмотку импульсного трансформатора ИВТ протекает линейно нарастающий ток. Следовательно, уменьшится время, в течение которого будет действовать импульс ЭДС на вторичных обмотках импульсного трансформатора. Поэтому уменьшатся уровни выходных постоянных напряжений блока, которые получаются как результат выпрямления и сглаживания импульсов ЭДС со вторичных обмоток ИВТ. Таким образом, уровень выходных напряжений
    поддерживается постоянным в состоянии динамического равновесия.
    При уменьшении выходных напряжений ИБП, например вследствие увеличения токопотребле-ния в нагрузке, происходящие процессы по регулировке выходных напряжений будут обратными.
    Упрощенная схема на рис. 3 иллюстрирует построение типового однотактного ИБП. Однако в ИБП для системных модулей обычно используется двухтактная полумостовая схема, т.к. одно-тактные схемы в диапазоне выходных мощностей свыше 150 Вт оказываются неэффективными из-за резкого увеличения габаритных размеров и массы импульсного трансформатора и ухудшения режимов работы ключевого транзистора.
    Поскольку силовая часть подавляющего большинства блоков питания для современных персональных компьютеров построена по двухтактной полумостовой схеме, то в данной книге подробно рассматриваются именно такие варианты ИБП.
    Упрощенная структурная схема ИБП, силовая часть которого построена по двухтактной полумостовой схеме, показана на рис. 5.

    Рисунок 5. Обобщенная структурная схема двухтактного полумостового импульсного блока питания с бестрансформаторным входом.

    Рассмотрим принцип работы такой схемы. Первичная обмотка ИВТ включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано конденсаторами С1, С2, а другое - мощными ключевыми транзисторами Q1, Q2. Конденсаторы достаточно большой и одинаковой емкости С1, С2 образуют емкостной делитель, одновременно выполняя функцию сглаживающих емкостей высокочастотного фильтра. Выпрямленное напряжение сети делится на них пополам. Транзисторы управляются по базам от схемы управления через управляющий и развязывающий трансформатор DT таким образом, что переключение их происходит поочередно с регулируемой паузой на нуле. Когда транзистор Q1 достигает состояния насыщения, а транзистор Q2 находится в состоянии отсечки, первичная обмотка трансформатора подключается к заряженному конденсатору С1 достаточно большой емкости. Поэтому через первичную обмотку ИВТ РТ протекает ток разряда этого конденсатора по цепи: (+)С1 -к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4- (-)С1.
    Одновременно с током разряда конденсатора С1 по обмотке протекает от источника питания и ток подзаряда конденсатора С2 по цепи: Uep - к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4- С2 - "общий провод" первичной стороны.
    Во второй полупериод, когда транзистор Q1 закрывается, a Q2 открывается, конденсаторы меняются ролями, т.е. конденсатор С2 разряжается, а С1 подзаряжается. Ток через первичную обмотку импульсного трансформатора протекает в противоположном предыдущему случаю направлении. Из схемы видно, что к первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается лишь половинное напряжение питания. Поэтому ток, коммутируемый транзистором в данной схеме, должен быть вдвое больше тока, протекающего через транзистор однотактной схемы преобразователя для получения той же мощности в нагрузке. Однако в такой схеме обратное напряжение, приложенное к закрытому транзистору, уменьшается более чем в два раза по сравнению с однотактной схемой преобразователя. Стабильность выходных напряжений поддерживается тем же способом, что и в однотактной схеме. Сигнал обратной связи подается на схему управления с делителя R1, R2 в цепи шины выходного напряжения ИБП. Схема управления, построенная по принципу ШИМ, изменяет длительность управляющих импульсов, подаваемых на базы силовых транзисторов Q1, Q2 таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение к номинальному значению. При этом для обеспечения достаточной величины базового для силовых ключей тока на выходе схемы управления включается согласующий каскад.
    Диоды D1 и D2 называются рекуперационными (возвратными). Они создают путь для протекания тока в моменты запирания транзисторов Q1 и Q2. Токи эти протекают под воздействием противо-ЭДС, наводимой в первичной обмотке силового импульсного трансформатора РТ при резком прерывании тока через нее в результате запирания этих транзисторов. Возникновение импульса ЭДС при запирании транзисторов объясняется неизбежным наличием у силового импульсного трансформатора паразитной индуктивности рассеяния, в которой за время открытого состояния транзистора запасается магнитная энергия. Явление магнитного рассеяния заключается в том, что часть магнитного потока ответвляется от основного магнитного потока и замыкается по различным путям, охватывающим различные группы витков; этот факт отражают введением понятия индуктивности рассеяния Ls. ПротивоЭДС всегда имеет полярность, стремящуюся поддержать ток прежнего направления. Потенциал вывода 1 первичной обмотки силового трансформатора РТ можно считать неизменяющимся. Поэтому на выводе 2 первичной обмотки РТ при запирании транзистора Q1 появляется отрицательный потенциал. Если бы диод D2 отсуствовал, то потенциал коллектора закрытого транзистора Q2 стал бы отрицательным по отношению к его эмиттеру, т.е. транзистор Q2 оказался бы в инверсном режиме, а к коллектору транзистора Q1 оказалось бы приложено напряжение, превышающее напряжение питания. Поэтому такой режим нежелателен. Диод D2 позволяет избежать попадания в этот режим, т.к. открывается и через него замыкается кратковременный ток рекуперации, протекающий по цепи: 1РТ -С4-С2- "общий провод" - D2 - 2РТ.
    При этом конденсатор С2 подзаряжается, т.е. энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки РТ, частично возвращается (рекуперируется) в источник.
    При запирании транзистора Q2 на выводе 2 первичной обмотки РТ появляется положительный потенциал и тогда, если бы диод D1 отсутствовал, в инверсном режиме оказался бы транзистор Q1, а коллектор транзистора Q2 оказался бы под воздействием импульса, превышающего уровень питания. Однако D1 открывается и замыкает цепь тока рекуперации: 2РТ- D1 - шина Uep - С1 -С4 - 1РТ.
    При этом подзаряжается конденсатор С1, т.е. избыточная энергия опять возвращается (рекуперируется) в источник.
    Схема пуска выполняет ту же функцию, что и в схеме однотактного преобразователя.

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ИБП

    Электрическая схема ИБП практически всегда размещается в металлическом кожухе, который служит электромагнитным экраном. Такое оформление является одной из мер по снижению уровня помехообразования. На корпусе ИБП имеются:
    • трехштыревой стандартный вход (вилка) для подачи сетевого питания при помощи стандартного трехпроводного шнура с трехконтактной розеткой на подключаемом к ИБП конце и двух-штыревой вилкой на конце, подключаемом к сети (вилка имеет третий контакт, позволяющий осуществить защитное зануление);
    • трехгнездовой стандартный разъем (розетка) для подстыковки кабеля питания дисплея;
    • переключатель 110/220В с визуально определяемым положением движка (промаркирован);
    • сетевой выключатель (в некоторых вариантах компьютеров этот переключатель выносится на переднюю панель, и тогда он связан с ИБП специальным длинным шнуром),
    Задняя и передняя стенки корпуса имеют щелевые или перфорированные прорези для обеспечения принудительной конвекции при работе встроенного в корпус ИБП вентилятора.
    Конструкции корпусов ИБП могут быть различными, что обусловлено разработкой каждого из них для конкретного компьютера, имеющего свою оригинальную конструкцию корпуса.
    Однако единым является то, что корпус ИБП, как правило, состоит из двух частей, скрепленных винтами. Поэтому при необходимости вскрытия блока снимается "крышка" и появляется доступ к плате блока. Электрическая схема блока располагается обычно на одной плате, но встречаются и двухплатные варианты. Например, в ИБП KYP-150W схема образования сигнала PG выделена на специальной вертикально расположенной плате, которая соединяется с основной платой при помощи неразъемного паяного соединения. В ИБП PS-200B на отдельной плате располагаются элементы входного сетевого помехоподавляюще-го фильтра. Могут встречаться и другие варианты размещения элементов схемы.
    Как правило, вторичная "земля" ("общий провод") конструктивно ("под винт") имеет электрическое соединение с металлическим корпусом ИБП, а корпус ИБП соединен с шасси компьютера отдельным проводом (также под винт). Однако есть варианты БП, где вторичная "земля" не имеет гальванического контакта с металлическим корпусом, а соединена с ним через конденсатор (плавающая земля). Подробнее особенность такого включения будет рассмотрена в разделе, посвященном борьбе с помехообразованием.
    Проводники, с помощью которых выводятся на разъемы выходные напряжения ИБП, объединены в жгут, который пропускается через специальное отверстие в корпусе. Чтобы в процессе эксплуатации не произошло механическое повреждение изоляции проводников об острые края этого отверстия, в него установлен специальный замок-кольцо, охватывающий все проводники. При разборке ИБП этот замок необходимо провернуть до освобождения зажимной дуги. При этом выводные проводники легко освобождаются, и плата после отворачивания крепежных винтов может быть извлечена из корпуса.

СХЕМОТЕХНИКА

СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ИБП
    НА ОСНОВЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИПА TL494

      Внимание: успешно осуществлять ремонт БП сможет только специалист, хорошо усвоивший схемные решения, применяемые при построении ИБП!
    Схемотехнически варианты построения ИБП на основе управляющей микросхемы TL494 различаются незначительно. Во всех таких ИБП неизменными остаются:
    • способ построения силового каскада ( двухтактная полумостовая схема);
    • управляющая микросхема с некоторыми навесными цепями;
    • согласующий каскад с развязывающим и управляющим трансформатором;
    • способ получения выходных напряжений и их стабилизация.
    Важным является и то обстоятельство, что во всех таких ИБП неизменной остается и общая архитектура построения всей схемы ИБП в целом. Этот базовый принцип заключается в том, что на первичной, гальванически не развязанной от сети, стороне располагается только силовой каскад (мощная полумостовая схема инвертора), а вся остальная часть схемы, в том числе и управляющая микросхема TL494, находится на вторичной
    стороне, гальванически развязанной от сети. Граница развязки проходит через развязывающие трансформаторы:
    • управляющий DT (DRIVE TRANSFORMER);
    • силовой импульсный РТ (POWER TRANSFORMER);
    • токовый СТ (CURRENT TRANSFORMER);
    • пусковой ST (STARTING TRANSFORMER). Последние два из перечисленных могут отсутствовать.
    Основное разнообразие приходится на схемотехническую реализацию токовых защит и схем образования сигнала PG. Однако и здесь встречаются повторы. В общем можно сказать, что одни и те же схемные решения применяются в различных сочетаниях в разработках различных зарубежных фирм. Но попадаются и оригинальные схемные решения. Многообразие встречающихся вариантов объясняется естественным стремлением каждой фирмы-разработчика внести что-то свое и выступить в качестве автора изобретения.
    Сходство всех ИБП этого семейства позволяет выработать системный подход к обнаружению неисправностей в них. Методика подхода к ремонту будет изложена в последующих разделах этой книги.

ВХОДНЫЕ ЦЕПИ

    Эта часть схемы различается незначительно практически для всех разновидностей ИБП и включает в себя следующие основные элементы:
    • входной стандартный трехштыревой разъем;
    • сетевой выключатель;
    • выходной стандартный трехгнездовой разъем для подключения кабеля питания дисплея;
    • плавкий предохранитель;
    • ограничительный терморезистор;
    • входной помехоподавляющий фильтр;
    • схему выпрямления сетевого напряжения;
    • сглаживающий емкостной фильтр.
    Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель, с одной стороны - на разъем, к которому может подключаться кабель питания дисплея, с другой стороны - через сетевой предохранитель номиналом 3-5 А, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехоподавляющий фильтр на мостовую схему выпрямления (рис. 6). Выпрямленное напряжение питающей сети сглаживается конденсаторами С5, Сб. На шине выпрямленного напряжения сети поэтому появляется постоянное напряжение +310В относительно общего провода первичной стороны.

    Рисунок 6. Входные цепи ипульсного блока питания KYP-150W (соединение под винт с металлическим не токоведущим корпусом ИБП)

    Терморезистор с отрицательным ТКС служит для ограничения броска зарядного тока через конденсаторы С5, С6 в момент включения ИБП. Так как в холодном состоянии сопротивление термо резистора составляет несколько ом, ток через выпрямительные диоды моста ограничивается на безопасном для них уровне. В результате протекания через терморезистор зарядного для С5, С6 тока он нагревается, его сопротивление уменьшается до долей ома и больше не влияет на работу схемы.
    Такое решение проблемы ограничения броска зарядного тока при помощи элемента с нелинейной вольтамперной характеристикой используется в подавляющем большинстве случаев, т.к. схема при этом получается наиболее простой и дешевой по сравнению с другими схемами. Кроме того, она обеспечивает минимальные потери и высокую надежность, что и обуславливает ее применение практически во всех ИБП зарубежного производства.
    Не заменяйте вышедший из строя терморезистор короткозамыкающей перемычкой! Это приведет к выходу из строя выпрямительного моста!
    Ограничительный терморезистор, как и всякий нагреваемый элемент, обладает тепловой инерцией. Это означает, что для того, чтобы он восстановил свои ограничительные свойства, после выключения ИБП из сети должно пройти некоторое время (несколько минут). Проще говоря, терморезистор должен остыть. Тогда следующее включение ИБП в сеть снова произойдет с ограничением броска зарядного тока. Однако на практике иногда встречаются ситуации, когда необходимо выключить ИБП из сети и тут же снова включить его. Термо резистор, как следует из сказанного выше, остыть не успевает, и, казалось бы, ограничения броска зарядного тока не произойдет. Однако необходимо учесть, что конденсаторы входного сглаживающего фильтра имеют достаточно большую емкость, а их разрядная цепь достаточно высокоомна. Поэтому за короткий промежуток времени между выключением и повторным включением ИБП они не успевают разрядиться. Следовательно, повторное включение ИБП происходит при еще заряженных конденсаторах входного фильтра, и поэтому зарядный ток фактически является дозаряжающим, а значит, имеет гораздо меньшую величину, чем начальный зарядный ток при полностью разряженных входных конденсаторах. Такой дозаря-жающий ток полностью безопасен для диодов сетевого выпрямительного моста. Однако выключение с последующим быстрым включением все же не рекомендуется из других соображений. Если конденсаторы входных и выходных фильтров, а также емкости разнообразных вспомогательных схем (защиты, плавного пуска, схемы PG и другие) не успевают полностью разрядиться, т.е. прийти в исходное перед включением в сеть состояние, то работа этих схем будет происходить в ненормальном для них режиме. Поэтому возможны разнообразные сбои и отказы ИБП и даже (при особо неблагоприятном стечении обстоятельств) выход ИБП из строя сразу при включении по, казалось бы, непонятной причине. Исходя из сказанного, после выключения ИБП из сети настоятельно рекомендуется выждать одну-две минуты перед следующим включением ИБП в сеть с целью дать возможность его схеме прийти в исходное состояние.
    Сетевой плавкий предохранитель предназначен для защиты питающей сети от перегрузки при возможных коротких замыканиях в первичной цепи ИБП и практически не защищает схему самого ИБП от внутренних перегрузок и КЗ в нагрузке.
    Входной помехоподавляющий фильтр обладает свойством двунаправленного помехоподавления, т.е. предотвращает проникновение высокочастотных импульсных помех из сети (которые иногда могут иметь к тому же значительную амплитуду) в ИБП, и наоборот - из ИБП в сеть. Устройство сетевого помехоподавляющего фильтра будет подробно рассмотрено ниже.
    В некоторых импульсных блоках питания по сетевому входу может включаться еще один нелинейный элемент - варистор, как например, в ИБП ESAN ESP-1003R (рис.7,а) или динистор.

    Рисунок 7. Защита от перенапряжения и ограничение броска зарядного тока при включении импульсного блока питания в сеть.

    Варистор - нелинейный элемент, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому пока сетевое напряжение не выходит из допуска, сопротивление варистора велико (десятки мегом), и он не влияет на работу схемы. При перенапряжении в сети варистор резко уменьшает свое сопротивление, и возросшим током через него выжигается плавкий предохранитель. Элементы схемы ИБП при этом остаются целыми. Однако такое включение варистора позволяет защитить схему, ИБП только при одном каком-либо номинале сети, так как варистор имеет конкретное значение пробивного напряжения. От этого недостатка свободна другая схема, приведенная на рис.7,б. В этой схеме применяются два варистора, которые включены параллельно конденсаторам фильтра и последовательно друг с другом. Так как напряжение на конденсаторах при любом номинале сети (110 или 220 В) одно и то же (155В), то схема ИБП будет защищена в обоих случаях. Однако в случае броска сетевого напряжения в такой схеме могут быть выведены из строя диоды выпрямительного моста, т.к. ток пробоя варисто-ров замыкается через них.
    Зарубежные фирмы-разработчики импульсных блоков питания стремятся к максимальной универсальности своей продукции в части использования ее в разных регионах планеты, где номиналы питающей сети отличаются (примерно 220В или 110В). Поэтому большинство ИБП способны работать с обоими номиналами сети. С этой целью большинство схем ИБП снабжены механическим установочным переключателем 220/110 В.

    Рисунок 8. Принцип действия переключателя 110/220В:
    а) переключатель разомкнут - мостовая схема выпрямителя (схема Герца);
    б) - переключатель замкнут -выпрямительная схема с удвоением напряжения (схема Делона или Грайнмахера).

    Переключатель 220/110 В (или 230/115 В) должен быть разомкнут при питающем сетевом напряжении 220В. При этом выпрямление осуществляется по мостовой схеме, т.е. работают все четыре диода диодного моста, а оба конденсатора фильтра подзаряжаются в одни и те же полупериоды сетевого напряжения (одним и тем же током) (рис.8,а).
    Если первичная сеть имеет номинал 110В, то переключатель 220/110В замыкают, и выпрямление осуществляется по схеме с удвоением напряжения, т.е. в процессе выпрямления участвуют только два диода D1 и D2. Сглаживающие конденсаторы при этом подзаряжаются в разные полупериоды сетевого напряжения (разными токами) (рис.8,б).
    Внимание: иногда встречаются ИБП, в которых переключатель 230В/110 В имеет бутафорский характер, т.е. переключатель соединений с монтажной платой не имеет, а сама схема ИБП рассчитана на включение в сеть напряжением только 110В или только 220В!
    Положения переключателя обязательно промаркированы на его движке таким образом, что в специальном окошке на корпусе блока видна эта маркировка (110В или 220В). Несмотря на это, все же довольно часты случаи включения ИБП в сеть при неправильном положении переключателя. Случай подключения к сети 110В, когда переключатель установлен на 220В, не является опасным, так как в этом случае на шине выпрямленного напряжения сети будет всего 155В и ИБП не запустится. Аварийная ситуация возникает при подключении ИБП к сети 220В в положении переключателя "110В". Тогда схема начинает удваивать напряжение, и на шине выпрямленного напряжения сети появляется 2 х 310В = 620В. Это приводит к моментальному выходу из строя силовых ключевых транзисторов, которые не рассчитаны на работу с таким напряжением и током, и как следствие этого - к возможному выходу из строя диодов выпрямительного моста. Кроме того, возможен выход из строя (взрыв) входных электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра. Этот аварийный процесс заканчивается перегоранием плавкого предохранителя.
    Поэтому фирмы-разработчики пошли на усложнение схемы, и в некоторых вариантах ИБП имеется схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения. При наличии такойсхемы механический переключатель 110/220В отсутствует, и пользователю не нужно следить за правильностью его установки.
    Рассмотрим один из вариантов реализации такой схемы, которая применена в ИБП типа ESSEX SS-200B (рис. 9).

    Рисунок 9. Схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения импульсного блока питания SS-200B.

    Схема работает следующим образом. На входе ИБП имеется пороговая схема, состоящая из схемы управления на транзисторах Q2, Q3 и стабилитронах D4, D3 и исполнительного элемента -двунаправленного тиристора (симистора) Q1. Q1 выполняет ту же функцию, что и механический переключатель 110/220В. Для питания пороговой схемы используется отдельный однополупериод-ный выпрямитель на диоде D2. С8 - сглаживающая емкость фильтра. D2 выпрямляет только отрицательные полупериоды сетевого напряжения (при другом включении сетевой вилки - только положительные). Ток зарядки С8 протекает по цепи: 0В сети (N) - 3-4 Т1 -С8-D2-C7 - 2-1 Т1 -F1 - фаза сети (L).
    При этом С7 выполняет функцию гасящего реактивного сопротивления (образует с С8 емкостной делитель). На С7 гасится большая часть сетевого напряжения. Однако реактивный элемент, включенный в цепь переменного тока, должен иметь возможность отдавать накопленную энергию обратно в источник. С этой целью в схему включен диод D1, через который и протекает ток перезарядки С7 в положительные полупериоды сетевого напряжения. Первичным пороговым элементом схемы является стабилитрон D4. Схема построена так, что отрицательный полупериод сетевого напряжения прикладывается к этому стабилитрону через эмиттерный переход Q2 с одной стороны и через R9 и диод 1 сетевого выпрямительного моста с другой. Стабилитрон D4 выбирается с пробивным напряжением такого номинала, что при подключении ИБП к сети 110В он остается в закрытом состоянии. При этом будут закрыты и транзисторы Q2, Q3 триггерной схемы. Поэтому напряжение с С8 прикладывается к вспомогательному стабилитрону D3 через резистор R4 с одной стороны и через R8 с другой. Пробивное напряжение стабилитрона D3 выбирается меньшим, чем напряжение на С8. Поэтому D3 пробивается и через него и управляющий переход симистора Q1 течет ток по цепи: (+)С8 - управляющий переход Q1 - D3- R8- (-)С8.
    R8 выполняет функцию балластного резистора для стабилитрона D3. Симистор при этом отпирается и подключает среднюю точку емкостной стойки полумостовой схемы силового инвертора к нулевому проводу сети. Поэтому схема выпрямления начинает работать в режиме удвоения, что эквивалентно замыканию механического переключателя 110/220В.
    При подключении ИБП к сети 220В в первый же отрицательный полупериод сетевого напряжения пробивается первичный стабилитрон D4. Через него и переход эмиттер-база Q2 протекает ток по цепи: 0В сети (N) - 3-4 Т1 - э-6 Q2- D4- R9- диод 1 моста - TR1 -2-1 Т1 - F1 - фаза сети (L).
    Поэтому триггерная схема опрокидывается. Транзисторы Q2 и Q3 открываются до насыщения и закорачивают через свое малое сопротивление стабилитрон D3 (при этом практически все выпрямленное напряжение с С8 выделяется на балластном сопротивлении R8). Поэтому к стабилитрону D3 фактически не прикладывается напряжение (потенциалы анода и катода приблизительно равны), и он закрыт. Следовательно, нет пути для протекания тока через управляющий переход симистора Q1, и он остается в закрытом состоянии, что эквивалентно разомкнутому положению механического переключателя 110/220В. Схема выпрямления при этом работает в режиме мостового двухполупериодного выпрямления.
    Параллельно конденсаторам С5, С6 включены высокоомные сопротивления R10, R11 номиналом 150-200 кОм, через которые С5, С6 разряжаются при выключении БП. Кроме того эти сопротивления выравнивают напряжения на С5, С6 (для симметрирования работы схемы).
    Внимание: время разряда С5, С6 достигает 15-20 с, а при обрыве сопротивлений напряжение на С5, С6 может сохраняться очень долго! Соблюдайте осторожность при демонтаже БП!
    Еще один вариант схемы автоматического распознавания номинала сети показан на рис. 10.

    Рисунок 10. Схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения ИБП SP-200W.

    Эта схема несколько отличается от рассмотренной выше. Назначение и работа элементов D40, D41, С41, С40 те же, что и ранее, т.е. конденсаторы С41 и С40 образуют емкостной делитель. Диод D41 представляет собой однополупериодный выпрямитель. Поэтому в отрицательные полупериоды сетевого напряжения через D41 протекает ток зарядки конденсатора С41 по цепи: 0-й провод сети - С41 -D41 - СЛО - фазный провод сети.
    В положительные полупериоды сетевого напряжения конденсатор С40 отдает накопленную энергию обратно в сеть через рекуперационный (возвратный) диод D40. Напряжением с конденсатора С41 как и ранее запитывается бистабиль-ная схема на транзисторах Q15, Q16. Управление состоянием бистабильной схемы производится с помощью специальной микросхемы IC3, которую для простоты можно назвать управляемым стабилитроном. Принцип действия такого стабилитрона заключается в том, что его напряжение стабилизации не является постоянной величиной, а зависит от потенциала на управляющем электроде R. Такая ИМС выпускается рядом зарубежных фирм. Например, фирма Texas Instruments (США) выпускает ИМС TL431C в пластмассовом трехвы-водном корпусе. По внешнему виду микросхема напоминает обычный маломощный транзистор (корпус ТО-92).
    Функцию механического переключателя 110/220В выполняет, как и ранее, симистор TRC1. Датчиком номинала сетевого напряжения является уровень напряжения на конденсаторе С42, который заряжается в положительные полупериоды сетевого напряжения через диод D42 по цепи: фазовый провод сети - D42 - R60 - С42 - 0-й провод сети.
    Резистор R60 образует с конденсатором С42 делитель и большая часть сетевого напряжения падает именно на этом резисторе. При этом напряжение на конденсаторе С42 получается включено согласно с напряжением на конденсаторе С41. Суммарное напряжение с этих двух конденсаторов подается на резистивный делитель R61, R64||R65. Поэтому через этот делитель протекает ток разряда этого суммарного источника по цепи: (+)С42 - R61 - R64\\R65 - R67 - (-)С41.
    Падение напряжения с нижнего плеча делителя R64, R65 подается на управляющий электрод микросхемы IC3.
    При подключении к сети 110В конденсатор С42 заряжен до некоторого невысокого уровня. Поэтому напряжение на управляющем электроде микросхемы IC3 невелико (не превышает уровень 2,5В). Состояние микросхемы эквивалентно разомкнутому состоянию ключа (стабилитрон закрыт). Поэтому транзисторы Q15, Q16 бистабильной схемы закрыты. Все напряжение с конденсатора С41 оказывается приложенным через резисторы R68, R67 к стабилитрону ZD3, который "пробивается", и поэтому в управляющий электрод симистора течет открывающий его ток по цепи: (+)С41 - управляющий переход TRC1 - ZD3-R67-(-)C41.
    Симистор TRC1 открывается и подключает 0-й провод сети к средней точке емкостной стойки силового полумоста, что эквивалентно замкнутому состоянию механического переключателя 110/220В.
    При подключении к сети 220В напряжение на конденсаторе С42, а значит, и на управляющем электроде микросхемы IC3 возрастает вдвое и превышает +2,5В. Поэтому, стабилитрон "пробивается". Это приводит к приоткрыванию транзистора Q15 бистабильной схемы, т.к. базовый делитель R62, R63 этого транзистора подключается к "общему проводу" через внутреннее сопротивление микросхемы IC3, и через управляющий переход Q15 протекает ток. Так как транзисторы бистабильной схемы охвачены положительной обратной связью, то приоткрывание Q15 вызывает лавинообразный процесс взаимного открывания обоих транзисторов и переход их в состояние насыщения. В результате стабилитрон ZD3 и управляющий переход симистора TRC1 оказываются зашунтированы малым внутренним сопротивлением открытых транзисторов бистабильной схемы. Поэтому стабилитрон ZD3 и симистор TRC1 остаются в закрытом состоянии, что эквивалентно разомкнутому состоянию механического переключателя 110/220В.
    Итак: первым обязательным условием работы БП является выработка постоянного напряжения +310В.
    Вторым обязательным условием нормальной работы ИБП является работа схемы пуска, которая позволяет запустить переключающую схему управления.