MSI Radeon RX Vega 64
8Gb, HBM2
Цена 43'500 руб.
Powercolor Radeon RX Vega 64
8Gb, HBM2
Цена 42'800 руб.
Видеорегистратор
ARTWAY 022
Цена 960 руб.

Сервера размещены в Летняя миграция

Мобильные устройства
Конференция
Персональные страницы
Wiki
Статистика разгона CPU (+0 за неделю, всего: 27021) RSS     



Объявления компаний (реклама) и анонсы
  • VEGA 64 - оглушительное падение цен, смотри цены в Регарде
  • VEGA 64 - оглушительное падение цен, смотри цены в Ситилинке
  • VEGA 64 - а в Compday дешевле всех!

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста,
которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Блок питания ATX: как он есть (часть 1)

serj 20.10.2011 06:55 Страница: 1 из 3 | ссылка на материал | версия для печати | обсуждение | архив

Оглавление

Вступление

Прогресс не стоит на месте, в домашнем хозяйстве используется множество электронных приборов и всем им требуется блок питания. В крупных аппаратах его встраивают в корпус устройства, а «мелочь» довольствуется внешним исполнением. Но что-то теряется, что-то перестает удовлетворять требованиям и приходится покупать новые модели. А так ли это необходимо? Можно ли сделать свой блок питания или улучшить старый? Одни из самых востребованных типов БП - те, что встраиваются в усилители низкой частоты. Сам усилитель, особенно начального уровня, собрать не трудно, обычно на все уходит одна-две микросхемы и немного «мелочевки», проблема возникает с блоком питания. Давайте об этом и поговорим.

Трансформаторный блок питания

Подобный блок подразумевает использование низкочастотного трансформатора для получения пониженного напряжения, из которого формируется постоянное выходное напряжение. Типовая топология БП выглядит следующим образом:

394x171  5 KB

Входное напряжение сети 220 вольт через предохранитель FU1 подается на первичную обмотку трансформатора TV1 (выводы 1-2). На его вторичной обмотке (выводы 3-4) наводится переменное напряжение, которое выпрямляется диодным выпрямителем D1, сглаживается конденсатором С1 и подается на выход. Такое построение является типичным, меняются лишь номиналы и количество компонентов, а топология остается прежней.

Рассмотрим назначение элементов схемы.

  • Предохранитель FU1 защищает блок питания и сеть 220 вольт от чрезмерного тока. При увеличении тока в цепи выше предельного он разрушается (расплавляется низкоплавкая проволочка) и цепь разрывается.
  • Трансформатор TV1 преобразует величину напряжения с первичной стороны во вторичную, при этом обеспечивается гальваническая развязка выхода от сети 220 вольт.
  • Диодный выпрямитель D1 выпрямляет переменное напряжение в однополярное пульсирующее.
  • Конденсатор С1 сглаживает выходное напряжение.

Теперь подробнее про использование элементов устройства.

Предохранитель защищает устройство в случае возникновения экстренных ситуаций. При перегрузке или коротком замыкании в нагрузке возникает большой ток в первичной обмотке, что может привести к ее перегреву с последующим возгоранием устройства. Кроме того, не исключена вероятность пробоя межслойной изоляции, и фазное напряжение попадет на выход. Лучше уж отключенный БП, чем подобное, поэтому присутствие предохранителя обязательно.

К слову, зачастую элемент защиты монтируют в обмотку трансформатора, что позволяет отключать его при критическом нагревании. К сожалению, такой прием срабатывает только один раз, и восстановить работоспособность трансформатора удается не всегда – предохранитель, в конструктивном исполнении резистора 0.125 Вт, подключен к внешнему концу первичной обмотки и «намотан» вместе с ней под слоем изоляции.

Трансформатор преобразует переменное напряжение в магнитное поле, которое наводит напряжение во вторичной обмотке. Степень понижения (повышения) выходного напряжения, иначе говоря «коэффициент трансформации» зависит от соотношения числа витков в этих обмотках.

Диодный выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения (положительной и отрицательной полярности) с вторичной обмотки в однополярную форму.

Выходной конденсатор сглаживает пульсации выходного напряжения. Дело в том, что трансформатор «предоставляет» напряжение той же формы, что и в сети 220 вольт, а именно синусоидальной. К слову, при работе от бесперебойных источников его форма может быть далеко не синусоидальной. Форма выпрямленного напряжения непостоянна во времени, наличествует длительное снижение до нуля вольт, поэтому необходима установка элемента, поддерживающего выходное напряжение постоянной величины, что выполняется на сглаживающем конденсаторе. Рассмотрим происходящие процессы подробнее, на модели блока питания 10 В.

295x450  59 KB. Big one: 439x670  14 KB

На картинке представлены напряжения, токи вторичных обмоток трансформатора и выходных напряжений для трех вариантов:

1. (красный). Выходной конденсатор отсутствует.
2. (зеленый). Выходной конденсатор присутствует, но его емкости явно недостаточно.
3. (синий). Выходной конденсатор обладает достаточной емкостью.

Форма напряжения на выходной обмотке, в первом приближении, остается синусоидальной для всех трех случаев, но только в первом – обмотки трансформатора намотаны медным проводом, и хотя медь хорошо проводит электрический ток, но ее используется довольно много, а потому сопротивление обмоток весьма чувствительно по величине. Чем больше ток нагрузки, чем она более «импульсная», тем сильнее искажается напряжение на выходе трансформатора.

Посмотрите на форму тока для всех трех вариантов – по мере увеличения емкости сглаживающего конденсатора растет величина тока потребления вторичной обмотки с одновременным его «сужением» в зонах максимума напряжений. Ток нагрузки блока питания 1 ампер, но от вторичной обмотки потребляется 4 А, то есть следует говорить о «пик факторе» четыре. Иначе говоря, в трансформаторном БП пиковый ток выходной обмотки в три-четыре раза больше тока нагрузки, и по мере увеличения емкости сглаживающих конденсаторов он только возрастает, хоть и не так существенно. Это важный момент.

От общего к частному, рассмотрим основные составные части блока питания.

Трансформатор

Сетевой трансформатор работает на частоте 50 Гц, что определяет тип магнитопровода – тонкие листы трансформаторного железа. Толщина пластин, или ленты, выбирается из уровня потерь на вихревые токи в железе, так называемые «токи Фуко» - переменное магнитное поле наводит напряжение в любом металлическом предмете, не только в обмотках, но и в самом магнитопроводе. Для уменьшения потерь применяют тонкие листы с лакокрасочным покрытием для изоляции между слоями. Впрочем, не будем самостоятельно выпиливать сердечник трансформатора из цельного куска железа.

По конструктивному исполнению трансформаторы делятся на тороидальные, стержневые и броневые.

450x183  22 KB

Внешне они выглядят следующим образом:

450x171  21 KB

Тороидальный трансформатор. Это конструктивное исполнение самое простое – обмотки наматываются на кольце из ленты трансформаторного железа, никаких специальных каркасов не требуется. Кроме того, у такого решения самое эффективное использование поверхности магнитопровода, что означает низкое рассеивание магнитного поля и снижение потерь в меди обмоток. Отсутствие каркаса приближает провод к сердечнику, диаметр витка уменьшается, что снижает общую длину провода, то есть его сопротивление.

Броневой трансформатор гораздо технологичнее тороидального – применяется один каркас для намотки обмоток, сам процесс изготовления не вызывает каких-либо технических трудностей, не требует весьма специфического оборудования, свойственного тороидальным трансформаторам. Увы, на этом его достоинства заканчиваются и начинаются недостатки – относительно низкий коэффициент использования магнитопровода, сильно ограниченное место для обмоток, плохое рассеивание тепла.

Стержневой трансформатор занимает среднее положение между тороидальным и броневым – от последнего он «взял» каркас для обмоток, а от первого – улучшенное использование поверхности магнитопровода. Да и по техническим свойствам данный тип расположен посредине между тороидальным и броневым вариантами. Из особенностей его исполнения отмечу то, что количество обмоток на трансформаторе удвоено. А именно, на каждом стержне присутствует первичная (сетевая) и вторичная обмотка (их может быть несколько).

При подключении такого трансформатора надо проявлять максимальную аккуратность – всегда можно спутать начало-конец обмоток, что может окончиться весьма печально. У меня были случаи, когда в партии советских трансформаторов некоторое их количество обладало «перевернутыми» обмотками. Как легко понять, это привело к необходимости «ручной настройки» серийной продукции, регулировщики были счастливы.

От исполнения перейдем к электрическим характеристикам. В домашних условиях мало кто возьмется изготавливать подобное самостоятельно – намотка сетевой обмотки тороидального трансформатора крайне утомительна, а другие исполнения требуют каркас, который хоть и облегчает работу, но все же является проблемой. Чаще всего подбирают подходящий трансформатор, удаляют с него вторичные обмотки и наматывают свои, с нужным числом витков. Такое решение довольно легко реализуется – достаточно узнать количество вольт на виток и намотать свои обмотки.

Методика переделки:

1. Определить первичную обмотку (или обмотки) трансформатора.
2. Удалить вторичные обмотки.
3. Намотать на трансформаторе тестовую обмотку с известным числом витков (например, сто), диаметр провода роли не играет.
4. Подключить его к сети 220 вольт и померить напряжение на временной обмотке.

Зная напряжение на тестовой обмотке и то, которое необходимо получить, нетрудно вычислить нужное количество витков. После удаления вторичных обмоток на каркасе освободилось место, вот исходя из этого и количества витков, можно вычислить диаметр провода для вторичной. Только не забудьте два момента – если выходных обмоток несколько, то надо их все уместить на свободном пространстве каркаса. И не следует забывать о слое изоляции поверх первичной – пробой фазы на вторичную обмотку хотелось бы получить меньше всего. Впрочем, вернемся к теме.

При рассмотрении схемы замещения трансформатора следует учитывать два фактора – сопротивление первичной и вторичной обмоток, а также величину индуктивности первичной обмотки. Дело в том, что трансформатор представляет собой дроссель, который подключен к источнику переменного напряжения довольно низкой частоты. Это означает, что через первичную обмотку протекает ток даже при отсутствии нагрузки на выходе.

Возьмем конкретный пример и оценим вклад каждого параметра. Скажем, трансформатор настольной лампы - 12 вольт, 20 Вт. Измерения показали следующие характеристики трансформатора:

  • Сопротивление первичной обмотки 144 Ом;
  • Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ом;
  • Индуктивность первичной обмотки 5.2 Гн;
  • Выходное напряжение холостого хода 13.8 В.

Представим его в эквивалентном виде:

297x167  5 KB

Резисторы R1 и R2 показывают сопротивление первичной и вторичной обмотки, L1 – индуктивность первичной стороны. «А»-«B» и «C»-«D» - «внешние» выводы обмоток.

Рассмотрим два варианта работы трансформатора – без нагрузки и с подключенной лампой накаливания.

На холостом ходу вторичная обмотка никуда не подключена, но через первичную обмотку течет некоторый ток, который определяется конечной индуктивностью первичной обмотки. Величина тока определяется из импеданса обмотки на частоте сети (50 Гц) и напряжения сети (220 В). Импеданс индуктивности считается по обычной формуле:

Z=2*PI*L*F

Где:

  • PI = 3.14.
  • L – индуктивность катушки, Гн.
  • F – частота, Гц.

Для данного примера это составит 2*3.14*5.2*50=1.63 КОм. При напряжении в сети 220 вольт через обмотку будет протекать ток 220 В/ 1.63 кОм=135 мА. Обратите внимание, ток будет течь всегда, подключена ли нагрузка к трансформатору или нет. Это создает реактивный ток в проводах, но не считается за потребляемую мощность… по крайней мере счетчик электроэнергии его не должен учитывать. Увы, негативные последствия подобного тока все же присутствуют – он протекает через первичную обмотку с конечным сопротивлением, что наводит в ней чисто активную мощность потерь:

P = I*I*R = 0.135*0.135*144 = 2.6 Вт.

Вот эта мощность уже активная и вызывает вполне ощутимое последствие – трансформатор немного нагревается, даже при отключенной нагрузке (выключенной лампочке).

Фильтрация помех

Трансформатор довольно неплохо изолирует выходную обмотку от помех в сети, особенно в высокочастотной части звукового диапазона и выше. «Довольно неплохо», но никак не «хорошо» - у него существует конструктивно-технологическое ограничение, мешающее получению высокой степени изоляции. А именно – обмотки очень протяженные как по поверхности магнитопровода, так и по области их взаимного соприкосновения.

Особенно неудачно обстоят дела у тороидального варианта исполнения – межслойный экран сделать крайне сложно и не технологично, обмотки наматываются одна поверх другой с небольшим количеством слоев, что означает очень большую поверхность соприкосновения. У «стержневого» и «броневого» трансформатора с этим лучше – жесткий каркас намотки лишен искривлений и позволяет использовать экраны, да и поверхность соприкосновения обмоток менее «тороидального» варианта. Одна беда – полноценные экраны в трансформаторах встречаются довольно редко. Подчас экран вроде бы и есть, но выполнен он «одним слоем тонкого провода», что может выполнять свою функцию только на очень низких частотах.

Существует еще один способ получения высокой степени подавления помех – разнести первичную и вторичную обмотки по разные стороны магнитопровода, полностью исключив передачу помехи через емкость между обмотками. Кроме устранения емкостной связи такой способ позволяет фильтровать помехи за счет невысокой предельной рабочей частоты магнитопровода. Трансформаторное железо плохо пропускает переменное поле средней – высокой частоты, что положительно сказывается на уровне помех на вторичной стороне.

Увы, для этого трансформатор должен быть намотан специальным образом, что в серийном производстве для бытовых нужд не встречается. Для такого исполнения в «тороидальном» трансформаторе первичная и вторичная обмотки должны находиться в противоположных сторонах кольца без взаимного контакта. В «стержневом» – сетевые обмотки необходимо разместить на одном стержне, вторичные на другом. По конструктивным причинам разнесение обмоток в броневом трансформаторе выполнить сложнее, да и эффект от его применения проявится слабее – слишком компактное размещение не позволяет исключить емкостную связь между обмотками.

Трансформатор «для светильников» лишен каких-либо элементов ёмкостной изоляции обмоток, ведь они не только повышают его стоимость, но и снижают технические характеристики, поскольку возрастает индуктивность рассеивания между первичной и вторичной обмотками. Последнее в свою очередь приводит к увеличению выходного сопротивления. Но не все так плохо, и обычный трансформатор эффективно устраняет помехи средне-высокочастотного диапазона. Даже проникнув через межобмоточную емкостную связь на вторичную сторону, помеха встретит на пути проникновения как индуктивность катушки до её выводов, так и сглаживающий конденсатор довольно большой емкости.

Узел выпрямления

С вторичной обмотки трансформатора поступает переменное напряжение, но для питания аппаратуры требуется постоянное, поэтому блок питания должен быть со схемой выпрямления. Обычно она выполняется на полупроводниковых диодах, синхронные выпрямители применяются крайне редко – сопротивление потерь трансформатора больше, чем теряется на p-n переходе диодов и смысл усложнения схемы отсутствует. В трансформаторном блоке питания чаще всего применяются два схемных решения – мост или полумост с удвоенным количеством обмоток.

Мост

Данное схемное решение означает применение четырех диодов:

289x145  2 KB

Диоды открываются парами, D1 - D3 для положительной полуволны и D2 – D4 для отрицательной, в результате на выходе получается напряжение одной полярности, хоть и с непостоянной амплитудой.

289x145  2 KB 289x145  2 KB

Для сглаживания выходного напряжения применяется конденсатор довольно большой емкости (С1).

Полумост

Такое построение выпрямительного узла несколько напоминает «мост», но у него в два раза меньше диодов и удвоено количество выходных обмоток трансформатора:

289x145  2 KB

Что сразу бросается в глаза – две вторичные обмотки вместо одной. На элементы в сером прямоугольнике пока не обращайте внимания. Выходные обмотки (выводы «3»-«5» и «1»-«4») включены в противофазе, напряжение на выводе «3» равно напряжению на выводе «4», но противоположно по знаку. Иначе говоря, когда на одной обмотке «+», то на другой «-».

289x145  2 KB 289x145  2 KB

Принцип работы схемы примерно такой же, как у ранее рассмотренной – при положительной полуволне «+» формируется на выводе «3», открывается диод D1 и на выход следует положительное напряжение. При отрицательной полуволне на выводе «3» получается «-», а на выводе «4» становится «+», диод D2 открывается и на выходе также получается положительное напряжение. В такой схеме используются всего лишь два диода, что должно (бы) уменьшить потери на выпрямительном узле и получить более стабильное выходное напряжение.

Увы, это далеко не так, применение подобного решения для получения одного напряжения неизбежно проиграет «мосту» - при удваивании числа обмоток их внутреннее сопротивление возрастает (примерно в два раза), что приведет к большим потерям, чем еще один p-n переход в мостовом выпрямителе. Подробнее вопрос будет рассмотрен в разделе расчета блока питания. Запомните главное – крайне не рекомендуется использовать полумостовой выпрямитель в трансформаторных блоках питания. Какой же смысл, зачем в разделе вообще идет речь о такой конструкции выпрямительного узла, если он проигрывает «мосту»?

Все просто – на «мосте» можно получить только одно напряжение и всё, а «полумост» способен предоставить как положительное, так и отрицательное напряжение, всё с тех же обмоток. Посмотрите еще раз на схему, в «сером» прямоугольнике изображены элементы, необходимые для получения отрицательного напряжения, причем той же величины, что и положительного. Эта часть работает точно так же, как и рассмотренная ранее, только диоды проводят в противоположной полярности и на выходе формируется отрицательное напряжение.

Небольшой вывод – если аппаратура требует однополярное выходное напряжение, то необходимо применять мостовую схему выпрямления, а если двухполярное – сдвоенную полумостовую. Кстати, если посмотреть на схему внимательнее, то окажется, что двойной полумост представляет собой мост, который работает с удвоенным напряжением, при этом две выходные обмотки трансформатора выполняют роль симметрирующего элемента для деления выходного напряжения на две равные «половинки».

Сглаживающие конденсаторы

Трансформаторный блок питания состоит из трех ключевых элементов – самого трансформатора, который понижает напряжение до нужной величины, выпрямительного узла, формирующего однополярное напряжение и, третьего обязательного элемента устройства – сглаживающего конденсатора. Смысл его существования в снижении пульсаций напряжения после выпрямительного узла.

В сети 220 вольт, от которой должен работать БП, представляет собой переменное напряжение синусоидальной формы частотой 50 Гц. Проблема в том, что синусоида довольно значительную часть периода обладает небольшим напряжением, вплоть до нуля, а аппаратура требует жесткого удержания выходного напряжения в заданных рамках, поэтому прямое подключение к выпрямительному узлу без дополнительных фильтрующих средств невозможно – пульсации будут слишком большие и работоспособность устройства нарушится.

Для устранения проблемы после диодного выпрямителя требуется установить элемент, который бы запасал энергию при высоком уровне синусоидального напряжения и отдавал ее на выход при снижении уровня синусоиды. Этого можно добиться применением конденсаторов достаточно большой емкости. На рисунке, приведенном ранее, указаны формы напряжения для различной емкости сглаживающего конденсатора – чем она выше, тем больше выходное напряжение похоже на прямую линию, то есть уровень пульсаций уменьшается. Выбор параметров сглаживающих конденсаторов будет произведен в следующем разделе.

Расчет трансформаторного блока питания

Рассмотрев элементы, используемые в трансформаторном БП, перейдем к конкретным, практическим решениям. Теория суха и трудна в освоении, поэтому лучше что-то сделать своими руками, так проще.

Есть трансформатор с измеренными параметрами, можно собрать на нём блок питания с вполне утилитарным применением – источник питания усилителя низкой частоты. Для такого применения чаще всего используется однополярное питание с напряжением 12 вольт. Типичные микросхемы усилителей - TDA2005 (22 Вт), TDA1554Q (2*22 Вт), TDA7385 (4*30 Вт), TDA7386 (4*45 Вт) и другие. Габаритная мощность трансформатора вряд ли превышает 20 Вт, было бы излишне оптимистично пытаться запитать от него усилитель мощнее 20 Вт, ограничим ассортимент первой микросхемой из списка, TDA2005. Впрочем, вместо нее можно применить любую другую, и более мощную – только не удастся получить полную отдачу на все каналы, а так работать будет.

Микросхема выбрана, начнем по порядку.

Оцените материал →

Объявления компаний (реклама) и анонсы
  • VEGA 56 со скидкой в Ситилинке, дешевле нет нигде
  • VEGA 56 - тоже мегадешево в Compday
  • Coffee Lake - дешевле в Ситилинке!
  • Ну ОЧЕНЬ дешевая GTX 1070 ASUS ROG STRIX




Обсуждение ВКонтакте (скрыть)