Чтобы вы поняли, о чем пойдет речь дальше, ознакомьтесь со структурной схемой боока питания.

А вот схема электрическая принципиальная, разбитая на блоки.

На входе блока питания стоит фильтр электромагнитных помех из дросселя и ёмкости (1 блок). В дешевых блоках питания его может не быть. Фильтр нужен для подавления помех в электропитающей сети возникших в результате работы импульсного источника питания.

Все импульсные блоки питания могут ухудшать параметры электропитающей сети, в ней появляются нежелательные помехи и гармоники, которые мешают работе радиопередающих устройств и прочего. Поэтому наличие входного фильтра крайне желательно, но товарищи из Китая так не считают, поэтому экономят на всём. Ниже вы видите блок питания без входного дросселя.

Дальше сетевое напряжение поступает на выпрямительный диодный мост, через предохранитель и терморезистор (NTC), последний нужен для зарядки фильтрующих конденсаторов. После диодного моста установлен еще один фильтр, обычно это пара больших электролитических конденсаторов, будьте внимательны, на их выводах присутствует большое напряжение. Даже если блок питания выключен из сети следует предварительно их разрядить резистором или лампой накаливания, прежде чем трогать руками плату.

После сглаживающего фильтра напряжение поступает на схему импульсного блока питания она сложная на первый взгляд, но в ней нет ничего лишнего. В первую очередь запитывается источник дежурного напряжения (2 блок), он может быть выполнен по автогенераторной схеме, а может быть и на ШИМ-контроллере. Обычно – схема импульсного преобразователя на одном транзисторе (однотактный преобразователь), на выходе, после трансформатора, устанавливают линейный преобразователь напряжения (КРЕНку).

Типовая схема с ШИМ-контроллером выглядит примерно так:

Вот увеличенная версия схемы каскада из приведенного примера. Транзистор стоит в автогенераторной схеме, частота работы которой зависит от трансформатора и конденсаторов в его обвязке, выходное напряжение от номинала стабилитрона (в нашем случае 9В) который играет роль обратной связи или порогового элемента который шунтирует базу транзистора при достижении определенного напряжения. Оно дополнительно стабилизируется до уровня 5В, линейным интегральным стабилизатором последовательного типа L7805.

Дежурное напряжение нужно не только для формирования сигнала включения (PS_ON), но и для питания ШИМ-контроллера (блок 3). Компьютерные блоки пиатния ATX чаще всего построены на TL494 микросхеме или её аналогах. Этот блок отвечает за управление силовыми транзисторами (4 блок), стабилизацию напряжения (с помощью обратной связи), защиту от КЗ. Вообще 494 – это культовая микросхема используется в импульсной технике очень часто, её можно встретить и в мощных блоках питания для светодиодных лент. Вот её распиновка.

На приведенном примере силовые транзисторы (2SC4242) из 4 блока включаются через «раскачку» выполненную на двух ключах (2SC945) и трансформаторе. Ключи могут быть любыми, как и остальные элементы обвязки – это зависит от конкретной схемы и производителя. Обе пары ключей нагружены на первичные обмотки соответствующих трансформаторов. Раскачка нужна, поскольку для управления биполярными транзисторами нужен приличный ток.

Диодные сборки представляют собой пару диодов соединенных в общей точки (общий катод или общий анод). Это быстродействующие диоды с малым падением напряжения.

Дополнительные функции

Продвинутые модели компьютерных блоков питания могут дополнительно оснащаться платой контроля оборотов кулера, которая подстраивает их под соответствующую температуру, когда вы нагружаете блок питания, кулер крутится быстрее. Такие модели более комфортны в использовании, поскольку создают меньше шума при малых нагрузках.

В дешевых источниках питания кулер подключен напрямую к линии 12В и работает на полную мощность постоянно, это усиливает его износ, в результате чего шум станет еще больше.

Если ваш блок питания имеет хороший запас по мощности, а материнская плата и комплектующие довольно скромные по потреблению – можно перепаять кулер на линию 5В или 7В припаяв его между проводами +12В и +5В. Плюс кулера к желтому проводу, а минус к красному. Это снизит уровень шума, но не стоит так делать, если блок питания нагружен полностью.

Еще более дорогие модели оснащены активным корректором коэффициента мощности, как уже было сказано, он нужен для уменьшения влияния источника питания на питающую сеть. Он формирует нужные напряжения на входных каскадах ИП, при этом сохраняя изначальную форму питающего напряжения. Достаточно сложное устройство и в пределах этой статьи подробнее рассказывать о нем не имеет смысла. Ряд эпюр отображает примерный смысл использования корректора.

Проверка работоспособности

К компьютеру ИП подключается через стандартизированный разъём, он универсален в большинстве блоков, за исключением специализированных источников питания, которые могут использовать ту же клеммную колодку, но с иной распиновкой, давайте рассмотрим стандартный разъём и назначение его выводов. У него 20 выводов, на современных материнских платах подключается дополнительных 4 вывода.

Кроме основного 20-24 контактного разъёма питания из блока выходят провода с колодками для подключения напряжения к жесткому диску, оптическому приводу SATA и MOLEX, дополнительное питание процессора, видеокарты, питание для флоппи-дисковода. Все их распиновки вы видите на картинке ниже.

Конструкция всех разъёмов таков, чтобы вы случайно не вставили его «вверх ногами», это приведет к выходу из строя оборудования. Главное, что стоит запомнить: красный провод – это 5В, Жёлтый – 12В, Оранжевый – 3.3В, Зеленый – PS_ON – 3. 5В, Фиолетовый – 5В, это основные которые приходится проверять до и после ремонта.

Помимо общей мощности блока питания большую роль играет мощность, а вернее ток каждой из линий, обычно они указываются на наклейке на корпусе блока. Эта информация станет очень кстати, если вы собрались запускать свой блок питания ATX без компьютера для питания других устройств.

При проверке блока желательно его отключить от материнской платы, это предотвратит превышение напряжений выше номинальных (если блок всё же не исправен). Но на холостом ходу запускать его не рекомендуют, это может привести к проблемам и поломке. Да и напряжения на холостом ходу могут быть в норме, но под нагрузкой значительно проседать.

Использование блока питания без компьютера

Если вы вставите вилку в розетку и включите тумблер на задней панели блока, напряжений на выводах не будет, но должно появиться напряжение на зеленом проводе (от 3 до 5В), и фиолетовом (5В). Это значит, что источник дежурного питания в норме, и можно пробовать запускать блок питания.

На самом деле всё достаточно просто, нужно замкнуть зеленый провод на землю (любой из черных проводов). Здесь всё зависит от того как вы будете использовать блок питания, если для проверки, то можно это сделать пинцетом или скрепкой. Если он будет включен постоянно или вы будете выключать его пол линии 220В, то скрепка, вставленная между зеленым и черным проводом рабочее решение.

Другой вариант – это установить кнопку с фиксацией или тумблер между этими же проводами.

Чтобы напряжения блока питания были в норме при его проверке нужно установить нагрузочный блок, можно его сделать из набора резисторов по такой схеме. Но обратите внимание на величину резисторов, по каждому из них будет протекать большой ток, по линии 3.3 вольта порядка 5 Ампер, по линии 5 вольт – 3 Ампера, по линии 12В – 0.8 Ампер, а это от 10 до 15Вт общей мощности по каждой линии.

Резисторы нужно подбирать соответствующие, но не всегда их можно найти в продаже, особенно в небольших городах, где малый выбор радиодеталей. В других вариантах схемы нагрузки, токи еще больше.

Один из вариантов исполнения подобной схемы:

Другой вариант использовать лампы накаливания или галогеновые лампы, на 12В подойдут от автомобиля их можно использовать и на линиях с 3.3 и 5В, стоит только подобрать нужные мощности. Еще лучше найти автомобильные или мотоциклетные 6В лампы накаливания и подключить несколько штук параллельно. Сейчас продаются 12В светодиодные лампы большой мощности. Для 12В линии можно использовать светодиодные ленты.

Если вы планируете использовать компьютерный блок питания, например, для питания светодиодной ленты, будет лучше, если вы немного нагрузите линии 5В и 3.3В.

Заключение

Блоки питания ATX отлично подходят для питания радиолюбительских конструкций и как источник для домашней лаборатории. Они достаточно мощные (от 250, а современные от 350Вт), при этом можно найти на вторичном рынке за копейки, также подойдут и старые модели AT, для их запуска нужно лишь замкнуть два провода, которые раньше шли на кнопку системного блока, сигнала PS_On на них нет.

Если вы собрались ремонтировать или восстанавливать подобную технику, не забывайте о правилах безопасной работы с электричеством, о том, что на плате есть сетевое напряжение и конденсаторы могут оставаться заряженными долгое время.

Включайте неизвестные блоки питания через лампочку, чтобы не повредить проводку и дорожки печатной платы. При наличии базовых знаний электроники их можно переделать в мощное зарядное для автомобильных аккумуляторов или в лабораторный блок питания. Для этого изменяют цепи обратной связи, дорабатывают источник дежурного напряжения и цепи запуска блока.

Источник

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике

Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора — это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП — преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный «конвейер» на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Входная фильтрация шума

Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы — специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.

Компоненты входного фильтра

Преобразование AC/DC

На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.

На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.

Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.

Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

Две стороны БП

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне — низковольтные цепи. Две стороны разделены «пограничной изоляцией», которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит никаких электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.

Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

Импульсы к трансформатору

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Вторичная сторона

Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

Управляющая плата

В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал «питание в норме» (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.

Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

Источник резервного питания

Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор — справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа — компонент удвоителя напряжения. Белые капли — это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Вывод

Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.

Примечания и ссылки

1 Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.

Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

2 Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

3 Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

4 Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

5 Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

6 Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

7 Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

8 Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

9 Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.

Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

10 Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]

Источник