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:
- фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
- первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
- основной трансформатор;
- 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.
Сегодня стоимость лабораторного блока питания составляет примерно 10 тыс. рублей. Но, оказывается, есть вариант переделки компьютерного блока питания в лабораторный. Всего за тысячу рублей вы получаете защиту от короткого замыкания, охлаждение, защиту от перегрузки и несколько линий напряжения: 3В, 5В и 12В. Однако мы будем модифицировать его, чтобы получить диапазон от 1,5 до 24В, который идеально подойдет для большинства электроники.
Я считаю, что этот способ переделки компьютерного блока питания на 24 вольта лучший, учитывая, что я смог воплотить его в реальность своими руками всего в 14 лет.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Здесь ведется работа с током, будьте осторожны и соблюдайте меры безопасности!
Вам понадобится:
- рулетка
- отвертка
- Компьютерный блок питания (рекомендую 250 Вт +) и кабель для него
- Проволочные защелки
- Паяльник
- Резистор на 10Ом 10Вт или больше (некоторые новые блоки питания не работают должным образом без нагрузки, поэтому резистор должен её обеспечить)
Необязательно:
- переключатель
- 2 светодиода любого цвета (красный и зеленый подойдут лучше всего)
- Если вы используете светодиоды, понадобится 1 или 2 резистора на 330 Ом,
- Термоусадка
- Внешний корпус (можно поместить всё в оригинальный корпус, а можно взять другой).
В зависимости от того, какой метод для регулируемого блока питания из БП компьютера вы используете (подробнее об этом позже):
- Клеммные колодки
- Дрель
- Резистор 120 Ом
- Переменный резистор 5 кОм
- Разъемы
- Зажимы «крокодил»
Шаг 1: Сбор и подготовка блока питания
Предупреждение: ПЕРЕД ТЕМ, КАК НАЧАТЬ, УБЕДИТЕСЬ, ЧТО БЛОК ПИТАНИЯ НЕ ПОДКЛЮЧЕН
Конденсаторы могут ударить током, что довольно больно. Дайте блоку питания полежать в течение нескольких дней, чтобы он разрядился, или подключите резистор на 10 Ом к красному и черному проводу.
Если вы слышите жужжание при включении питания, это означает, что где-то происходит короткое замыкание или другая серьезная проблема. Если вы слышите жужжание (не от паяльника) во время пайки, это означает, что блок питания подключен. Помните, что если блок, который подключен к питанию, отключить кнопкой, в нем все еще останется ток.
Хорошо, давайте вынем блок питания из компьютера. Обычно он крепится на 4 винтах к задней панели корпуса. Выньте провода из отверстия, затем сгруппируйте их по цветам и отрежьте концы.
Кстати, вы только что аннулировали свою гарантию.
Шаг 2: Делаем проводку
Теперь приступим к сложной части, где нужно добавить светодиоды, переключатели и другие подобные детали. Мы имеем много проводов каждого типа, поэтому я рекомендую использовать 2-4 провода. Некоторые люди перебирают все внутри коробки, а я сделал всё снаружи. Это зависит от того, какой метод вы используете на следующем шаге.
Если вы хотите добавить индикатор ожидания или индикатор включения питания, вам понадобится светодиод (рекомендую красный, но не обязательно) и резистор на 330 Ом. Припаяйте черный провод к одному концу резистора, а короткий конец светодиода — к другому. Резистор уменьшит напряжение, чтобы не повредить светодиод. Перед пайкой, наденьте небольшой кусок термоусадки, чтобы защитить контакты от короткого замыкания. Припаяйте фиолетовый провод к более длинной ноге, и когда вы подадите питание (не включая блок), светодиод должен загореться.
Для включенного блока питания вы также можете установить другой светодиод (рекомендую зеленый). Некоторые говорят, что нужно использовать серый провод для питания светодиода, но тогда нужен еще один резистор на 330 Ом. Я просто подключил его к оранжевому проводу 3,3 В.
Если вы используете метод с серым проводом:
Прежде чем припаять его, наденьте еще один кусочек термоусадки, чтобы предотвратить КЗ. Припаяйте серый провод к одному концу резистора, а другой конец резистора — к более длинной ножке светодиода. Черный провод припаяйте к короткой ножке.
При использовании оранжевого провода 3.3В:
Прежде чем припаять его, наденьте еще один кусочек термоусадки, чтобы предотвратить КЗ. Припаяйте оранжевый провод к более длинной ножке светодиода, а черный провод — к более короткой ножке.
Теперь к переключателю: если на задней стенке вашего блока питания уже есть переключатель, этот пункт вам не сильно пригодится. Подключите зеленый провод к одному контакту на переключателе, а черный — к другому. Если вы не хотите использовать переключатель, просто соедините зеленый и черный провода.
Вы также можете использовать предохранитель на 1А. Всё, что нужно сделать, это обрезать черные провода примерно в середине, и соединить их с предохранителем в держателе.
Некоторым блокам питания нужна нагрузка для правильной работы. Для обеспечения этой нагрузки припаяйте красный провод к одному концу резистора 10 Ом\10 Вт и черный провод к другому. Таким образом блок будет думать, что он что-то делает.
Если вы ничего не поняли, загляните в схему, которую я приложил. В ней показан способ подключения проводов. Об этом я расскажу в следующем шаге. Там изображен способ с серым проводом на светодиод (но вы можете использовать оранжевый, как написано выше), а также показывает проводку для высокоомного резистора.
Шаг 3: Пускаем ток!
В учебных пособиях, которые я прочитал, существует множество различных способов подключения разъемов для подключения ваших устройств к питанию. Мы начнем с самого лучшего и дойдем до худшего.
Некоторые учебные пособия расскажут вам, как собрать все детали внутри корпуса, но это опасно и приведет к чрезмерному нагреву и поломкам. Я рекомендую использовать внешний монтаж.
Добавление переменного резистора
Я лично считаю, что это лучший метод, так как он может обеспечить любое напряжение от 1,5 до 24 В. Причина того, что он на 22В, а не 12В, потому что он использует синий провод, который имеет напряжение -12 В, а не обычную землю (черный провод).
Нам понадобится:
- Регулятор напряжения LM317 или LM338K
- Конденсаторы 100nF (керамика или тантал)
- Конденсаторы 1uF Электролитические
- Силовой диод 1N4001 или 1N4002
- Резистор 120 Ом
- Переменный резистор 5 кОм
Сначала постройте схему с основного изображения и соедините ваши линии +12 и -12 В. Затем просверлите отверстия в блоке питания или в внешнем корпусе, чтобы установить переменный резистор. Все остальные детали должны находиться внутри. Теперь я предлагаю добавить две клеммных колодки, чтобы вы могли подключать устройства напрямую. Также можно подключить к ним «крокодилы». Когда вы поворачиваете переменный резистор, напряжение должно находиться в диапазоне от 1,5 до 24 В.
ПРИМЕЧАНИЕ. На главном изображении есть опечатка, которую следует учесть: + 24В вместо 22В. Если у вас есть старый вольтметр, вы можете подключить его в цепь, чтобы отслеживать выходящее напряжение.
Разъемы
Теперь нужно установить разъемы для подключения оборудования. Просверлите для них отверстия (обязательно оберните печатную плату в пластик, так как металлические осколки могут закоротить ее), а затем проверьте, подходят ли они по размеру, вставив разъемы и затянув болт. Выберите, какое напряжение должно идти на каждый разъем и сколько разъемов нужно вставить. Обозначения проводов по цветам:
- Красный: + 5В
- Желтый: + 12В
- Оранжевый: + 3,3В
- Черный: Земля
- Белый: -5В
Выше приведено изображение с использованием метода с разъемами.
Крокодиловые зажимы
Если у вас не так много опыта или у вас нет вышеуказанных деталей, и по какой-то причине вы не можете их купить, вы можете просто подключить любые линии напряжения, которые вы хотите к крокодиловым зажимам. Если вы выбрали этот вариант, я рекомендую использовать изоляцию, чтобы предотвратить КЗ.
- Не бойтесь добавлять ингредиенты в коробку: светодиоды, наклейки и т.д.
- Убедитесь, что вы используете блок питания ATX. Если это AT или более старый источник питания, у него, скорее всего, будет другая цветовая схема для проводов. Если у вас нет данных о проводке, даже не начинайте никаких работ, иначе вы просто сломаете свой блок.
- Если светодиод на передней панели не горит, значит ножки подключены неправильно. Просто поменяйте провода местами и он должен загореться.
- Некоторые современные блоки питания имеют провод «Сигнал обратной связи стабилизатора», который должен быть подключен к источнику питания для работы блока. Если провод серый, подключите его к оранжевому проводу, если он розовый, подключите его к красному проводу.
- Силовой резистор с высокой мощностью может довольно сильно нагреваться; вы можете использовать радиатор, чтобы охладить его, но убедитесь, что он не создает КЗ.
- Если вы решили монтировать детали внутрь корпуса, вентилятор можно установить снаружи, чтобы освободить немного места.
- Вентилятор может шумно работать, ведь он питается от 12В. Так как это не компьютер, который сильно нагревается, можно обрезать красный провод вентилятора и подключить оранжевый 3,3 В. Следите за температурой после этого. Если она слишком большая, подключите обратно красный провод.
Поздравляю! Вы успешно сделали ваш блок питания.
Со скуки решил сделать старый «фокус» из вышедшего на покой компьютерного блока питания ATX 450W, сделать автономный блок питания (БП), например для радиостанции. Блок питания запускался, 12 В. выдавал, значит с ним все не так страшно. Осталось убрать лишнее, добавить необходимое и продлить ему жизнь.
Хотел по подробней заснять весь процесс, но был один, делать и фоткать не получалось.
Характеристики БП вполне приличные, что бы за питать достаточного мощного 12 вольтового потребителя, например радиостанцию.
Вскрываем блок питания и смотрим какие у него проблемы и что там у нас лишнее.
После очистки выяснилось, что высохла емкость на выход 5В., это напряжение нам вообще не нужно, его проще удалить.
Убираем заодно и все провода, со всем разъемами, так много их теперь не нужно.
Черные провода это у нас МИНУС, Желтые + 12 В.. Ну а остальное не важно, пожалуй кроме Зеленого провода, он нам пригодится. Выпаиваем всё лишние, тут кстати очень пригодится паяльник на 150 Ватт. 🙂
Зеленый провод запускает БП из режима «Standby», его в последствии надо замкнуть на минус, туда к черным проводам. Иначе блок питания не запустится.
Ну вот плата от лишнего расчищена, Зеленый
провод на месте, из толстых проводов готовим хвостики под клемники, для плюса и минуса.
Проводов нужного сечения в жгуте блока питания не было, хорошо подошли провода для аккумулятора из сгоревшего UPS.
Вот нашел клемники и заодно готовлю светодиод индикации работы БП, это всегда пригодится.
Распаиваем выходные провода и светодиод, делаем предварительный запуск, мало ли что могло случится пока ковырялся на плате.
Осталось разметить отверстия, все просверлить и собрать, навести красоту.
Свободные места в корпусе нашлись, сверло на 8 мм. и все практически готово.
Собираем протягивает, заливаем термоклеем, то что может отвинтится, укладываем провода, впереди поверка и небольшие испытания.
Холостой ход в норме, все стабильно, напряжение 12,3 В.. Можно конечно покопаться и добавить регулировку напряжения в небольшом диапазоне до 14 В.. Но все и так в пределах допустимого, а время уже к концу рабочего дня.
Подключена Моторола GM 340, стоит на передаче, ток 5 А. Для экономного варианта, из БУ, совсем без денег, получился не плохой блок питания. Который еще послужит на пользу человечеству, а не будет просто валяться или разобран за запчасти.
С таким же успехом, можно сделать выводы на напряжения 5В. и 3,3В.
Здравствуйте, сейчас я расскажу о переделке ATX блока питания модели codegen 300w 200xa в лабораторный блок питания с регулировкой напряжения от 0 до 24 Вольт, и ограничением тока от 0,1 А до 5 Ампер. Выложу схему, которая у меня получилась, может кто чего улучшит или добавит. Выглядит сама коробка вот так, хотя наклейка, может быть синей или другого цвета.
Причем платы моделей 200xa и 300x почти одинаковы. Под самой платой есть надпись CG-13C, может быть CG-13A. Возможно, есть другие модели похожие на эту, но с другими надписями.
Выпаивание ненужных деталей
Изначально схема выглядела вот так:
Нужно убрать всё лишнее, провода atx разъёма, отпаять и смотать ненужные обмотки на групповом дросселе стабилизации. Под дросселем на плате, где написано +12 вольт ту обмотку и оставляем, остальные сматываем. Отпаять косу от платы (основного силового трансформатора), не в коем случае не откусывайте её. Снять радиатор вместе с диодами Шоттки, а после того как уберём все лишнее, будет выглядеть вот так:
Конечная схема после переделки, будет выглядеть вот так:
В общем выпаиваем все провода, детали.
Делаем шунт
Делаем шунт, с которого будем снимать напряжение. Смысл шунта в том, что падение напряжения на нём, говорит ШИМ-у о том, как нагружен по току - выход БП. Например сопротивление шунта у нас получилось 0,05 (Ом), если измерить напряжение на шунте в момент прохождения 10 А то напряжение на нём будет:
U=I*R = 10*0,05 = 0,5 (Вольт)
Про манганиновый шунт писать не буду, поскольку его не покупал и у меня его нет, использовал две дорожки на самой плате, замыкаем дорожки на плате как на фото, для получения шунта. Понятное дело, что лучше использовать манганиновый, но и так работает более чем нормально.
Ставим дроссель L2 (если есть) после шунта
Вообще их рассчитывать надо, но если что - на форуме где-то проскакивала программа по расчету дросселей.
Подаём общий минус на ШИМ
Можно не подавать, если он уже звонится на 7 ноге ШИМ. Просто на некоторых платах на 7 выводе не было общего минуса после выпайки деталей (почему - не знаю, мог ошибаться, что не было:)
Припаиваем к 16 выводу ШИМ провод
Припаиваем к 16 выводу ШИМ - провод, и данный провод подаём на 1 и 5 ножку LM358
Между 1 ножкой ШИМ и выходом плюс, припаиваем резистор
Данный резистор будет ограничивать напряжение выдаваемое БП. Этот резистор и R60 образует делитель напряжения, который будет делить выходное напряжение и подавать его на 1 ножку.
Входы ОУ(ШИМ) на 1-й и 2-й ножках у нас служат для задачи выходного напряжения.
На 2-ю ножку приходит задача по выходному напряжению БП, поскольку на вторую ножку максимально может прийти 5 вольт (vref) то обратное напряжение должно приходить на 1-ю ножку тоже не больше 5 вольт. Для этого нам и нужен делитель напряжения из 2х резисторов, R60 и тот что мы установим с выхода БП на 1 ногу.
Как это работает: допустим переменным резистором выставили на вторую ногу ШИМ 2,5 Вольта, тогда ШИМ будет выдавать такие импульсы (повышать выходное напряжение с выхода БП) пока на 1 ногу ОУ не придёт 2,5 (вольта). Допустим если этого резистора не будет, блок питания выйдет на максимальное напряжение, потому как нет обратной связи с выхода БП. Номинал резистора 18,5 кОм.
Устанавливаем на выход БП конденсаторы и нагрузочный резистор
Нагрузочный резистор можно поставить от 470 до 600 Ом 2 Ватта. Конденсаторы по 500 мкф на напряжение 35 вольт. Конденсаторов с требуемым напряжением у меня не было, поставил по 2 последовательно по 16 вольт 1000 мкф. Припаиваем конденсаторы между 15-3 и 2-3 ногами ШИМ.
Припаиваем диодную сборку
Ставим диодную сборку ту, что и стояла 16С20C или 12C20C, данная диодная сборка рассчитана на 16 ампер (12 ампер соответственно), и 200 вольт обратного пикового напряжения. Диодная сборка 20C40 нам не подойдет - не думайте её ставить - она сгорит (проверено:)).
Если у вас есть какие либо другие диодные сборки смотрите чтоб обратное пиковое напряжение было минимум 100 В ну и на ток, какой по больше. Обычные диоды не подойдут - они сгорят, это ультро-быстрые диоды, как раз для импульсного блока питания.
Ставим перемычку для питания ШИМ
Поскольку мы убрали кусок схемы который отвечал за подачу питания на ШИМ PSON, нам надо запитать ШИМ от дежурного блока питания 18 В. Собственно, устанавливаем перемычку вместо транзистора Q6.
Припаиваем выход блока питания +
Затем разрезаем общий минус который идёт на корпус. Делаем так, чтоб общий минус не касался корпуса, иначе закоротив плюс, с корпусом БП, всё сгорит.
Припаиваем провода, общий минус и +5 Вольт, выход дежурки БП
Данное напряжение будем использовать для питания вольт-амперметра.
Припаиваем провода, общий минус и +18 вольт к вентилятору
Данный провод через резистор 58 Ом будем использовать для питания вентилятора. Причём вентилятор нужно развернуть так, чтоб он дул на радиатор.
Припаиваем провод от косы трансформатора на общий минус
Припаиваем 2 провода от шунта для ОУ LM358
Припаиваем провода, а также резисторы к ним. Данные провода пойдут на ОУ LM357 через резисторы 47 Ом.
Припаиваем провод к 4 ножке ШИМ
При положительном +5 Вольт напряжении на данном входе ШИМ, идёт ограничение предела регулирования на выходах С1 и С2, в данном случае с увеличением на входе DT идёт увеличение коэффициента заполнения на С1 и С2 (нужно смотреть как транзисторы на выходе подключены). Одним словом - останов выхода БП. Данный 4-й вход ШИМ (подадим туда +5 В) будем использовать для остановки выхода БП в случае КЗ (выше 4,5 А) на выходе.
Собираем схему усиления тока и защиты от КЗ
Внимание: это не полная версия - подробности, в том числе фотографии процесса переделки, смотрите на форуме.
Обсудить статью ЛАБОРАТОРНЫЙ БП С ЗАЩИТОЙ ИЗ ОБЫЧНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО
Если у вас дома есть старый блок питания от компьютера (ATX), то не стоит его выбрасывать. Ведь из него можно сделать отличный блок питания для домашних или лабораторных целей. Доработка потребуется минимальная и в конце вы получите почти универсальный источник питания с рядом фиксированных напряжений.
Компьютерные блоки питания обладают большой нагрузочной способностью, высокой стабилизацией и защитой от короткого замыкания.
Я взял вот такой блок. У всех есть такая табличка с рядом выходных напряжений и максимальным током нагрузки. Основные напряжения для постоянной работы 3,3 В; 5 В; 12 В. Есть ещё выходы, которые могут быть использованы на небольшой ток, это минус 5 В и минус 12 В. Так же можно получить разность напряжений: к примеру, если подключится в к «+5» и «+12», то вы получите напряжение 7 В. Если подключиться к «+3,3» и «+5», то получите 1,7 В. И так далее… Так что линейка напряжений намного больше, чем может показаться с разу.
Распиновка выходов блока питания компьютера
Цветовой стандарт, в принципе, един. И эта схема цветовых подключений на 99 процентов подойдет и вам. Может что-то добавиться или удалиться, но конечно все не критично.
Переделка началась
Что нам понадобиться?- - Клеммы винтовые.
- - Резисторы мощностью 10 Вт и сопротивлением 10 Ом (можно попробовать 20 Ом). Мы будем использовать составные из двух пятиватных резисторов.
- - Трубка термоусадочная.
- - Пара светодиодов с гасящими резисторами на 330 Ом.
- - Переключатели. Один для сети, второй для управления
Схема доработки блока питания компьютера
Тут все просто, так что не бойтесь. Первое что нужно сделать, так это разобрать между собой и соединить провода по цветам. Затем, согласно схемы подключить светодиоды. Первый слева будет индицировать наличие питания на выходе после включения. А второй справа будет гореть всегда, пока сетевое напряжение присутствует на блоке.
Подключить переключатель. Он будет запускать основную схему, замыканием зеленого провода на общий. И выключать блок при размыкании.
Также, в зависимости от марки блока, вам понадобится повесить нагрузочный резистор на 5-20 Ом между общим выходом и плюсом пять вольт, иначе блок может не запуститься из-за встроенной защиты. Так же если не заработает, будьте готовы повесить такие резисторы на все напряжения: «+3,3», «+12». Но обычно хватает одного резистора на выход 5 Вольт.
Начнем
Снимаем верхнюю крышку кожуха.Откусываем разъемы питания, идущие к материнской плате компьютера и другим устройствам.
Распутываем провода по цветам.
Сверлим отверстия в задней стенке под клеммы. Для точности сначала проходим тонким сверлом, а затем толстым под размер клеммы.
Будьте осторожны, не насыпьте металлическую стружку на плату блока питания.
Вставляем клеммы и затягиваем.
Складываем черные провода, это будет общий, и зачищаем. Затем залуживаем паяльником, одеваем термоусадочную трубку. Припаиваем к клемме и надев трубку на спайку – обдуваем термофеном.
Так делаем со всеми проводами. Которые не планируете использовать – откусите под корень у платы.
Также сверлим отверстия по тумблер и светодиоды.
Устанавливаем и фиксируем горячим клеем светодиоды. Припаиваем по схеме.
Нагрузочные резисторы ставим на монтажную платы и привинчиваем винтами.
Закрываем крышку. Включаем и проверяем ваш новый лабораторный блок питания.
Не лишним будет замерить выходное напряжение на выходе каждой клеммы. Чтобы быть уверенным, что ваш старый блок питания вполне работоспособен и выходные напряжения не вышли за пределы допустимых.
Как вы могли заметить, я использовал два переключателя – один есть в схеме, и он запускает работу блока. А второй, который побольше, двухполюсный – коммутирует входное напряжение 220 В на вход блока. Его можно не ставить.
Так что друзья, собирайте свой блок и пользуйтесь на здоровье.
