Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

Single-Transistor Forward

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

• зеленый: ≤ 1%;
• салатовый: ≤ 2%;
• желтый: ≤ 3%;
• оранжевый: ≤ 4%;
• красный: ≤ 5%.
• белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

Не только радиолюбителям, но и просто в быту, может понадобиться мощный блок питания. Чтоб было до 10А выходного тока при максимальном напряжении до 20 и более вольт. Конечно-же, мысль сразу направляется на ненужные компьютерные блоки питания ATX. Прежде чем приступать к переделке, найдите схему на именно ваш БП.

Последовательность действий по переделке БП ATX в регулируемый лабораторный.

1. Удаляем перемычку J13 (можно кусачками)

2. Удаляем диод D29 (можно просто одну ногу поднять)

3. Перемычка PS-ON на землю уже стоит.

4. Включаем ПБ только на короткое время, так как напряжение на входа будет максимальное (примерно 20-24В). Собственно это и хотим увидеть. Не забываем про выходные электролиты, расчитанные на 16В. Возможно они немного нагреются. Учитывая Ваши "вздутости", их все равно придется отправить в болото, не жалко. Повторюсь: все провода уберите, они мешают, а использоваться будут только земляные и +12В их потом назад припаяете.

5. Удаляем 3.3-х вольтовую часть: R32, Q5, R35, R34, IC2, C22, C21.

6. Удаляем 5В: сборку шоттки HS2, C17, C18, R28, можно и "типа дроссель" L5.

7. Удаляем -12В -5В: D13-D16, D17, C20, R30, C19, R29.

8. Меняем плохие: заменить С11, С12 (желательно на бОльшую ёмкость С11 - 1000uF, C12 - 470uF).

9. Меняем несоответствующие компоненты: С16 (желательно на 3300uF х 35V как у меня, ну хотя бы 2200uF x 35V обязательно!) и резистор R27 - у Вас его уже нет вот и замечательно. Советую его заменить на более мощный, например 2Вт и сопротивление взять 360-560 Ом. Смотрим на мою плату и повторяем:

10. Убираем всё с ног TL494 1,2,3 для этого удаляем резисторы: R49-51 (освобождаем 1-ю ногу), R52-54 (...2-ю ногу), С26, J11 (...3-ю ногу)

11. Не знаю почему, но R38 у меня был перерублен кем-то:) рекомендую Вам его тоже перерубить. Он участвует в обратной связи по напряжению и стоит параллельно R37-му.

12. Отделяем 15-ю и 16-ю ноги микросхемы от "всех остальных", для этого делаем 3 прореза существуюших дорожек а к 14-й ноге восстанавливаем связь перемычкой, как показано на фото.

13. Теперь подпаиваем шлейф от платы регулятора в точки согласно схемы, я использовал отверстия от выпаянных резисторов, но к 14-й и 15-й пришлось содрать лак и просверлить отверстия, на фото.

14. Жила шлейфа №7 (питание регулятора) можно взять от питания +17В ТЛ-ки, в районе перемычки, точнее от неё J10/ Просверлить отверстие в дорожку, расчистить лак и туда. Сверлить лучше со стороны печати.

Ещё посоветовал бы поменять конденсаторы высоковольтные на входе (С1, С2). У Вас они очень маленькой ёмкости и наверняка уже изрядно подсохли. Туда нормально станут 680uF x 200V. Теперь, собираем небольшую платку, на которой будут элементы регулировки. Вспомогательные файлы смотрите

Привет всем!!! Решил описать вкратце переделку БП от компьютера формата АТХ. Может кому-то будет интересно.

За основу был взят БП CODEGEN - 300X (типа 300Вт, ну Вы поняли китайских 300). Мозгом БП служит ШИМ-контроллер КА7500 (TL494...). Только такие мне приходилось переделывать. Управлять ШИМкой будет PIC16F876A, он же и для контроля и установки выходного напряжения и тока, отображение информации на LCD WH1602(...), регулировка осуществляется кнопками.
Программу помог сделать один хороший человек (IURY, сайт "Кот", который радио), за что ему большое спасибо!!! В архиве схема, плата, программа для контроллера.

Берем рабочий БП (если не рабочий, то надо восстановить до рабочего состояния).
Ориентировочно определяемся, где у нас что будет располагаться. Выбираем место под LCD, кнопки, клеммы (гнезда), индикатор включения...
Определились. Делаем разметку для "окна" ЛСД. Вырезаем (я резал маленькой болгаркой 115мм), может кто-то дремелем, кто-то рассверливанием отверстий, а потом подгонка напильником. В общем кому как удобнее и доступнее. Должно получиться что-то похоже на это.

Продумываем как будем крепить дисплей. Можно сделать несколькими способами:
а) соединить с платой управления разъёмами;
б) сделать через фальшпанель;
в) или...
Или... припаять непосредственно 4 (3) винтика М2,5 к корпусу. Почему М2,5, а н М3,0? В ЛСД отверстия 2,5мм в диаметре для крепления.
Я припаял 3 винтика, потому что при пайке четвертого, отпаивается перемычка (на фото видно). Потом припаиваешь перемычку - отпадает винтик. Просто сильно близкое расстояние. Не стал заморачиваться - оставил 3 шт.

Пайка выполнена ортофосфорной кислотой. После пайки всё необходимо хорошо промыть водой с мылом.
Примеряем дисплей.

Изучаем схему, а именно все относительно TL494 (KA7500). Все что касается ног 1, 2, 3, 4, 13, 14, 15, 16. Всю обвязку возле этих выводов удаляем (на основной плате БП), и устанавливаем детали, согласно схемы.

Удаляем на основной плате БП всё лишнее. Все детали касательно +5, -5, -12, PG, PS - ON.
Оставляем только всё, что касается +12 V и дежурного питания +5V SB .
Желательно найти схему по своему БП, чтобы не удалить чего лишнего. В цепи питания +12 вольт - удаляем родные электролиты и ставим вместо них, аналогичный по ёмкости, но на рабочее напряжение 35-50 вольт.
Должно получиться что-то похоже на это.

Посмотрев на характеристики имеющегося блока питания (наклейка на корпусе) - по 12В выходной ток должен быть 13А. Ого неплохо вроде!!! Смотрим на плату, что у нас образовывает 12В, 13А??? Ха два диода FR302 (по даташиту 3А!). Ну пусть максимальный ток 6А. Нет, такое нас не устраивает, надо заменить на что-нибудь по мощнее, да еще и с запасом, поэтому ставим 40CPQ100 - 40А, Uобр=100В.

На радиаторе были какие-то изолирующие прокладки, прорезиненная ткань (что-то похожее). Отодрал, отмыл. Поставил нашу отечественную слюду.
Винты, поставил подлиннее. Под один сзади зажал еще слюду. Блок решил дополнить индикатором перегрева теплоотвода на МП42. Германиевый транзистор здесь используется в качестве датчика температуры

Схема индикатора перегрева теплоотвода собрана на четырёх транзисторах. В качестве транзистора стабилизатора применён КТ815, КТ817, а в качестве индикатора - двухцветный светодиод.

Печатную плату не рисовал. Думаю, что особой сложности при сборке этого узла возникнуть не должно. Как узел собран, видно на фото ниже.

Делаем плату управления. ВНИМАНИЕ! Перед подключением своего LCD изучите даташит на него!! Особенно выводы 1 и 2!

Соединяем все согласно схеме. Устанавливаем плату в БП. Также надо изолировать основную плату от корпуса. Сделал я всё это через пластиковые шайбочки.

Наладка схемы.

1.Все наладки блока питания проводить только через лампу накаливания 60 - 150 Вт , включенную в разрыв сетевого кабеля, а ещё лучше и через разделительный трансформатор.
2.Корпус БП изолировать от GND, а цепь, которая образовывалась через корпус, соединить проводками.
3.Iizm (U15) - выставляется выходной ток (правильность показаний индикатора) по образцовому А - метру.
Uizm (U14) - выставляется выходное напряжение (правильность показаний индикатора), по образцовому В - метру.
Uset_max (U16) - выставляется МАХ выходное напряжение

Максимальный выходной ток данного блока питания составляет 5 ампер (вернее 4,96А), ограничен прошивкой.
Максимальное выходное напряжение для данного блока питания, не желательно выставлять более 20-22 вольт, так как в этом случае увеличивается вероятность пробоя силовых транзисторов из-за нехватки предела ШИМ-регулирования микросхемой TL494 .
Для увеличения выходного напряжения более 22 вольт, необходима перемотка вторичной обмотки трансформатора.

Пробный запуск прошёл успешно. Слева двухцветный индикатор перегрева теплоотвода (холодный радиатор - цвет LED зеленый, теплый - оранжевый, горячий - красный). Справа - индикатор включения БП.

Установил выключатель. Основа - стеклотекстолит, обклеен самоклейкой "оракл".

Финал. То, что получилось в домашних условиях.

А теперь пробуем работу всех узлов собранного блока, так сказать в условиях приближенных к реальным, то есть нагружаем и испытываем собранный блок питания.
БП под нагрузкой, в качестве нагрузки используются лампы "галогенки" на 12В, 35 и 50Вт.

Скачать архив с прошивкой, схемой, платами.

Архив для статьи.

Если возникнут какие то вопросы по статье, задавайте их , обсудим.

В статье вы узнаете о том, как изготовить лабораторный блок питания самостоятельно из того, что имеется под рукой. На сегодняшний день существует довольно много устройств, которым необходимо различное питание - и 5, и 3, и 12 вольт. А некоторые и вовсе питаются током высокой частоты (об этих устройствах будет рассказано отдельно). Но начать стоит с классической схемы - на трансформаторе. Конечно, конструкция получится громоздкой, и схема устаревшая, но надежность высокая.

Трансформатор блока питания

Для лабораторного блока питания необходимо использовать трансформаторы типа ТС-270 (двухкатушечные, от старых ламповых цветных телевизоров). Но их придется слегка модернизировать. Первичные обмотки остаются на своих местах, вторичные удаляются полностью. Так делается лабораторный блок питания, схема которого приведена в статье. Наматываются новые обмотки, исходя из существующих потребностей. Самый простой вариант - сделать ступенчатое регулирование напряжения на выходе. Для этого нужно посчитать, сколько витков необходимо для снятия одного Вольта:

1. Наматываете 10 витков провода вместо вторичной обмотки.
2. Включаете трансформатор и проводите замер напряжения на вторичной обмотке.
3. Допустим, получилось 2 В. Следовательно, 5 витков выдают 1 В.
4. Чтобы сделать «ступени» в 1 В, нужно делать отводы каждые пять витков.

Такая конструкция окажется массивной, да и придется использовать либо несколько гнезд, либо специальный тумблер для переключения режимов работы. Намного проще окажется произвести намотку вторичной обмотки с таким расчетом, чтобы на выходе оказалось примерно 30 вольт переменного напряжения.

Регулировка напряжения

Выше был приведен пример ступенчатой регулировки. Но лабораторный блок питания, схема которого приведена в статье, имеет одно большое преимущество - в нем вторичная обмотка цельная, без отводов. Регулировка производится при помощи специальной схемы на полупроводниковых элементах. При помощи переменного резистора изменяются параметры перехода полупроводника. Вследствие этого происходит изменение параметров схемы и выходного напряжения.

Дело в том, что у вас получается регулируемый лабораторный блок питания. И чтобы производить контроль напряжения на выходе, вам потребуется подключить к нему вольтметр. Проще всего использовать стрелочный, главное, чтобы шкала была правильно проградуирована. Но можно немного потратиться и приобрести цифровой вольтметр (цена его составляет около ста рублей), у которого диапазон измерений находится в промежутке 0...30 вольт. С ним будет намного проще работать, ведь вы всегда будете видеть значение напряжения на выходе вашего блока питания.

Блок питания компьютера

Если уж сказать прямо, то это идеальное устройство. Из него можно сделать любой источник постоянного напряжения. Правда, не все знают, как запустить его без материнской платы. Сделать это очень просто - в жгуте проводов ищете один зеленый и соединяете его с любым черным. Вот и все, можно видеть, как закрутились вентиляторы. Теперь подробнее о том, как сделать лабораторный блок питания из компьютерного БП своими руками.

Напряжения в компьютерном БП

Дело в том, что можно в компьютерном блоке питания найти несколько типов напряжений:

1. 3,3 В.
2. 12 В.

Как вы понимаете, это наиболее «популярные» значения напряжений. Их достаточно для питания микросхем, контроллеров, исполнительных устройств. Обратите внимание на то, что даже сложный электронный механизм можно запитать от одного только блока питания компьютера. Лишь бы был приличный запас мощности.

Высокочастотные токи

Что самое главное - можно изготовить лабораторный блок питания из компьютерного БП с наличием высокочастотного тока на выходе. Для некоторых устройств, например инверторов подсветки ламп монитора, необходим именно ток ВЧ. Как вы знаете, компьютерный БП построен по инверторной схеме. Следовательно, где-то в нем можно найти напряжение 12 вольт с высокой частотой. Для этого необходимо сделать следующее:

1. Разбираете корпус блока питания (предварительно отключите его от сети).
2. Находите самый большой трансформатор. Это высокочастотный трансформатор, именно на нем и будет находиться ток высокой частоты.
3. Два провода припаиваете к первичной обмотке и выводите из корпуса.

Теперь остается только все красиво оформить - сделать переднюю панель, установить нужное количество гнезд и подписать их, чтобы не запутаться. При изготовлении лабораторного источника питания из компьютерного БП вы получаете одно большое преимущество - напряжение на выходе всегда стабильно. Дополнительных схем стабилизации не требуется. И рассмотренный в самом начале лабораторный блок питания 0-30В оказывается намного хуже по параметрам, нежели из компьютерного БП.

Заключение

Можно спорить о преимуществах и недостатках различных схем, но наиболее качественным изделием окажется источник питания из компьютерного БП. Но у него есть недостаток - короткое замыкание на выходе приводит к переходу блока питания в режим защиты. По факту это полная остановка работы. Только лишь перезагрузка устройства вернет на выходе напряжение. А вот если лабораторный блок питания изготовлен по классической трансформаторной схеме, таких проблем вы сможете избежать - но продумать придется защиту от короткого замыкания (хотя бы предохранитель на 16 или 25 ампер на выходе устройства).

Схемотехника этих блоков питания примерно одинакова практически у всех производителей. Небольшое отличие касается лишь БП AT и ATX. Главное различие между ними заключается в том, что БП в AT не поддерживает программно стандарт расширенного управления питанием. Отключить данный БП можно, лишь прекратив подачу напряжение на его вход, а в блоках питания формата ATX есть возможность программного отключения сигналом управления с материнской платы. Как правило плата ATX имеет большие размеры чем AT и вытянута по вертикали.


В любом компьютерном БП, напряжение +12 В предназначено для питания двигателей дисковых накопителей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Это напряжение также подается на вентиляторы. Они потребляют ток до 0.3А, но в новых компьютерах это значение ниже 0.1А. Питание +5 вольт подаётся на все узлы компьютера, поэтому имеет очень большую мощность и ток, до 20А, а напряжение +3.3 вольта предназначено исключительно для запитки процессора. Зная что современные многоядерные процессоры имеют мощность до 150 ватт, нетрудно подсчитать ток этой цепи: 100ватт/3.3вольт=30А! Отрицательные напряжения -5 и -12В раз в десять слабее основных плюсовых, поэтому там стоят простые 2-х амперные диоды без радиаторов.

В задачи БП входит и приостановка функционирования системы до тех пор, пока величина входного напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power Good. Если этот сигнал не поступил, компьютер работать не будет

Сигнал Power Good можно использовать для сброса вручную если подать его на микросхему тактового генератора. При заземлении сигнальной цепи Power Good, генерация тактовых сигналов прекращается и процессор останавливается. После размыкания переключателя вырабатывается кратковременный сигнал начальной установки процессора и разрешается нормальное прохождение сигнала - выполняется аппаратная перезагрузка компьютера. В компьютерных БП типа ATX, предусмотрен сигнал, называемый PS ON, он может использоваться программой для отключения источника питания. Для проверки работоспособности блока питания, следует нагрузить БП лампами для автомобильных фар и померять все выходные напряжения тестером. Если напряжения в пределах нормы. Также стоит проверить изменение выдаваемое БП напряжение с изменением нагрузки.

Работа этих блоков питания очень стабильна и надёжна, но в случае сгорания, чаще всего выходят из строя мощные транзисторы, низкоомные резисторы, выпрямительные диоды на радиаторе, варисторы, трансформатор и предохранитель.

Для наших целей подойдёт абсолютно любой компьютерный БП. Хоть на 250 ватт, хоть на 500. Того тока, что он обеспечит, хватит для радиолюбительского БП с головой.


Переделка компьютерного БП ATX минимальна, и доступна для повторения даже начинающим радиолюбителям. Главное только помнить, что импульсный компьютерный БП ATX имеет на плате много элементов, которые находятся под напряжением сети 220В, поэтому будьте предельно аккуратны при испытаниях и настройке! Изменений каснулась в основном выходная часть БП ATX.




Дело в том, что блок питания от компьютера содержит в себе не только основной мощный преобразователь 300 ватт с шинами +5 и +-12В, но и небольшой вспомогательный источник питания дежурного режима материнской платы. Причём этот небольшой импульсный блок питания абсолютно независимый от основного.


Независимый настолько, что его можно смело выпилить из основной платы и подобрав подходящую коробку использовать для питания каких - нибудь электронных устройств. Доработка каснулась только обвязки микросхемы TL 431, сначала собрал делитель, но затем поступил проще – обычный подстроечник. С ним предел регулировки от 3,6 до 5,5 вольта.




Вот типовая схема компьютерного БП ATX, а ниже приведена схема участка вспомогательного преобразователя дежурного режима.




Естественно в каждом конкретном блоке питания ATX схема будет отличаться. Но принцип думаю понятен.

Аккуратно выпиливаем нужный участок печатной платы с ферритовым трансформатором, транзистором и другими необходимыми деталями и подключив к сети 220В проводим испытания на работоспособность этого блока.

В данном случае на выходе выставил напряжение ровно 4 вольта, ток срабатывания защиты 500ма, так как используется данный ИБП для проверки мобильных телефонов.


Мощность получившегося ИБП не велика, но однозначно выше стандартных импульсных зарядок от мобильных телефонов. Для этой переделки БП подойдёт абсолютно любой компьютерный блок питания ATX .
Для удобства эксплуатации, этот лабораторный блок питания можно снабдить цифровой индикацией тока и напряжения. Выполнить это можно или на микроконтроллере, или на специализированной микросхеме.








обеспечивает следующие параметры и функции:
1. Измерение и индикация выходного напряжения блока питания в диапазоне от 0 до 100В, с дискретностью 0,01В
2. Измерение и индикация выходного тока нагрузки блока питания в диапазоне от 0 до 10А с дискретностью 10 мА
3. Погрешность измерения - не хуже ±0,01В (напряжение) или ±10мА (ток)
4. Переключение между режимами измерения напряжение/ток осуществляется с помощью кнопки с фиксацией в нажатом положении.
5. Вывод результатов измерения на большой четырехразрядный индикатор. При этом три разряда используются для отображения значения измеряемой величины, а четвертый – для индикации текущего режима измерения.
6. Особенность моего вольтамперметра – автоматический выбор предела измерения. Смысл в том, что напряжения 0-10В отображаются с точностью 0,01В, а напряжения 10-100В с точностью 0,1В.
7. Реально делитель напряжения рассчитан с запасом, если измеряемое напряжение увеличивается больше 110В (ну может кому-то надо меньше, можно исправить это в прошивке), на индикаторе отображаются символы перегрузки – O.L (Over Load). Аналогично сделано и с амперметром, при превышении измеряемого тока больше 11А вольтамперметр переходит в режим индикации перегрузки.
Устройство осуществляет измерение и индикацию только положительных значений тока и напряжения, причем для измерения тока используется шунт в цепи «минуса».
Устройство выполнено на микроконтроллере DD1 (МК) ATMega8-16PU.


Технические параметры ATMEGA8-16PU:

Ядро AVR
Разрядность 8
Тактовая частота, МГц 16
Объем ROM-памяти 8K
Объем RAM-памяти 1K
Внутренний АЦП, кол-во каналов 23
Внутренний ЦАП, кол-во каналов 23
Таймер 3 канала
Напряжение питания, В 4.5…5.5
Температурный диапазон, C 40...+85
Тип корпуса DIP28

Количество дополнительных элементов схемы - минимально. (Более полные данные на МК можно узнать из даташита на него). Резисторы на схеме - типа МЛТ-0,125 или импортные аналоги, электролитический конденсатор типа К50-35 или аналогичный, напряжением не менее 6,3В, емкость его может отличаться в большую сторону. Конденсатор 0,1 мкФ - керамический импортный. Вместо DA1 7805 можно применить любые аналоги. Максимальное напряжение питания устройства определяется максимальным допустимым входным напряжением этой микросхемы. О типе индикаторов сказано далее. При переработке печатной платы возможно применение иных типов компонентов, в том числе SMD.

Резистор R… импортный керамический, сопротивление 0,1Ом 5Вт, возможно применение более мощных резисторов, если габариты печатки позволяют установить. Также нужно изучить схему стабилизации тока БП, возможно там уже есть токоизмерительный резистор на 0,1 Ом в минусовой шине. Можно будет использовать по возможности этот резистор. Для питания устройства может использоваться либо отдельный стабилизированный источник питания +5В (тогда микросхема стабилизатора питания DA1 не нужна), либо нестабилизированный источник +7…30В (с обязательным использованием DA1). Потребляемый устройством ток не превышает 80мА. Следует обращать внимание на то, что стабильность питающего напряжения косвенно влияет на точность измерения тока и напряжения. Индикация - обычная динамическая, в определенный момент времени светится только один разряд, но из-за инерционности нашего зрения мы видим светящимися все четыре индикатора и воспринимаем как нормальное число.

Использовал один токоограничительный резистор на один индикатор и отказался от необходимости дополнительных транзисторных ключей, т. к. максимальный ток порта МК в данной схеме не превышает допустимые 40 мА. Путем изменения программы можно реализовать возможность использования индикаторов как с общим анодом, так и с общим катодом. Тип индикаторов может быть любым - как отечественным, так и импортным. В моем варианте применены двухразрядные индикаторы VQE-23 зеленого свечения с высотой цифры 12 мм (это древние, мало-яркие индикаторы, найденные в старых запасах). Здесь приведу его технические данные для справки;

Индикатор VQE23, 20x25mm, ОК, зеленый
Двухразрядный 7-сегментный индикатор.
Тип Общий катод
Цвет зеленый (565nm)
Яркость 460-1560uCd
Десятичные точки 2
Номинальный ток сегмента 20mA

Ниже указано расположение выводов и габаритный чертеж индикатора:

1. Анод H1
2. Анод G1
3. Анод A1
4. Анод F1
5. Анод B1
6. Анод B2
7. Анод F2
8. Анод A2
9. Анод G2
10. Анод H2
11. Анод C2
12. Анод E2
13. Анод D2
14. Общ катод К2
15. Общ катод К1
16. Анод D1
17. Анод E1
18. Анод C1

Возможно использование вообще любых индикаторов как одно-, двух-, так и четырехразрядных с общим катодом, придется только разводку печатной платы под них делать. Плата изготовлена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, но возможно применение одностороннего, просто надо будет несколько перемычек запаять. Элементы на плате устанавливаются с обеих сторон, поэтому важен порядок сборки:

Сначала необходимо пропаять перемычки (переходные отверстия), которых много под индикаторами и возле микроконтроллера.
Затем микроконтроллер DD1. Для него можно использовать цанговую панельку, при этом ее надо устанавливать не до упора в плату, чтобы можно было пропаять выводы со стороны микросхемы. Т.к. не было под лапой цанговой панельки, было решено впаять МК намертво в плату. Для начинающих не рекомендую, в случае неудачной прошивки 28-ногий МК очень неудобно заменять.
Затем все прочие элементы.

Эксплуатация данного модуля вольтамперметра не требует объяснения. Достаточно правильно подключить питание и измерительные цепи. Разомкнутый джемпер или кнопка – измерение напряжения, замкнутый джемпер или кнопка – измерение тока. Прошивку можно залить в контроллер любым доступным для вас способом. Из Fuse-битов, что необходимо сделать, так это включить встроенный генератор 4 МГц. Ничего страшного не случится, если их не прошить, просто МК будет работать на 1МГц и цифры на индикаторе будут сильно мерцать.

А вот и фотография вольтамперметра:


Я не могу дать конкретных рекомендаций, кроме вышесказанных, о том, как подключить устройство к конкретной схеме блока питания - ведь их такое множество! Надеюсь, эта задача действительно окажется такой легкой, как это я себе представляю. P.S. В реальном БП данная схема не проверялась, собрана как макетный образец, в будущем планируется сделать простой регулируемый БП с применением данного вольтамперметра. Буду благодарен тем, кто испытает в работе данный вольтамперметр и укажет на существенные и не очень недостатки. За основу взята схема от ARV Моддинг блока питания с сайта радиокот. Прошивку для микроконтроллера ATmega8 c исходными кодами для CodeVision AVR C Compiler 2.04, и плату в формате ARES Proteus можно скачать на отсюда . Также прилагается рабочий проект в ISIS Proteus. Материал предоставил – i8086.
Все основные и дополнительные детали блока питания монтируются внутри корпуса БП ATX. Места там хватает и для них, и для цифрового вольтамперметра, и для всех необходимых гнёзд и регуляторов.


Последнее преимущество так-же очень актуально, ведь корпуса часто являются большой проблемой. Лично у меня в ящике стола лежит немало девайсов, которые так и не обзавелись собственной коробкой.


Корпус получившегося блока питания можно обклеить декоративной чёрной самоклеющейся плёнкой или просто покрасить. Переднюю панель со всеми надписями и обозначениями делаем в фотошопе, печатаем на фотобумаге и наклеиваем на корпус.




Долгие испытания лабораторного блока питания показали его высокую надёжность, стабильность и отличные технические характеристики. Рекомендую всем повторить эту конструкцию, тем более, что пределка довольно простота и в итоге получится красивый компактный БП.