http://www.coptkm.cz/
Použití spínaných zdrojů z PC v dílenské praxi Naprostá většina napájecích zdrojů používaných ve výpočetní technice je dnes řešena jako spínané zdroje. Použití spínaných zdrojů umožňuje zlepšit účinnost napájecí části, a ač je to v našich podmínkách zatím těžko představitelné, i snížit výrobní náklady. Další úspory vzniknou zmenšením hmotnosti a rozměrů zařízení. Při konstrukci spínaných zdrojů jsou kladeny mimořádné nároky na feritová jádra transformátorů, na usměrňovací diody i na výkonové tranzistory. Z těchto důvodů se spínané zdroje ve větší míře používají až v posledním desetiletí. Velkou zásluhu na tom také mají nové integrované obvody, jejichž použití umožnilo zjednodušit konstrukci spínaných zdrojů a hlavně zvětšit spolehlivost. Dnešní mohutný nástup počítačů PC byl totiž podmíněn nejen rozvojem mikroelektroniky, ale jistě i pokrokem při konstrukci zdrojů. Těžko si představit PC, jak je „vyplněn" běžným transformátorem o výkonu 200 W, baterií elektrolytických kondenzátorů a chladiči stabilizátorů pro jednotlivá napájecí napětí. Ve spotřební elektronice se spínané zdroje uplatňují hromadně jen v televizních přijímačích, použití pro jiná zařízení není zatím příliš běžné.
Obr. 1 Zdroj AT 200W Teoretický popis činnosti spínaných zdrojů Všechny zdroje používají pro napájení primární části přímo usměrněné síťové napětí. Pro menší výkony (do 60 až 100 W) bývá zdroj zapojen jako jednočinný blokující měnič, pro výkony větší jako dvojčinný propustný měnič.
1
Obr. 2 Základní zapojení jednočinného měniče Podstatná část zapojení jednočinného měniče je na obr. 2. Kondenzátor C1 je filtrační kondenzátor a je nabíjen usměrněným síťovým napětím. Protože pracovní kmitočet měniče je podstatně vyšší než kmitočet napětí sítě, představuje C1 po většinu času zdroj napětí pro měnič. Jeden pracovní cyklus měniče lze rozdělit do několika částí. V první části sepne tranzistor T1 a připojí primární vinutí transformátoru L1 ke kondenzátoru C1. Proud vinutím se postupně zvětšuje, zvětšuje se i magnetické pole v jádře transformátoru. Po určité době musí řídicí elektronika zajistit rozepnutí tranzistoru T1. Ve snaze zachovat procházející proud, vybudí magnetické pole jádra ve vinutí L1 a L2 napětí opačné polarity. Protože nyní vinutím L1 proud prakticky neprochází, „přelévá" se energie magnetického pole přes L2 a D1 do zátěže. Výstupní napětí zdroje je dáno poměrem závitů vinutí L1 a L2, velikostí napájecího napětí na primární straně a poměrem časů, po něž je tranzistor otevřen a uzavřen.
Obr. 3 Průběhy napětí v některých místech jednočinného měniče Je-li opakovací kmitočet měniče nízký, popř. je-li zdroj málo zatížen, může v praxi nastat případ, kdy magnetické pole v jádře zanikne dříve, než je tranzistor znovu sepnut. Na nyní nezatíženém vinutí transformátoru vzniknou tlumené kmity. Průběhy napětí v měniči jsou na obr. 3b. Tento stav není příliš nebezpečný, neboť amplituda kmitů je menší než pracovní 2
rozkmit napětí. Zmenšuje se však účinnost měniče a proto tento způsob činnosti nelze v rozsahu pracovní zátěže tolerovat. Při práci měniče mohou nastat dva nebezpečné stavy: pracuje-li do zkratu či bez zátěže. V prvním případě se může nadměrně zvětšit proud procházející spínacím tranzistorem, v druhém napětí na vinutí transformátoru. Tyto stavy jsou řešeny vhodným zapojením řídicí elektroniky a často i použitím rezistorů, realizujících jistou minimální zátěž pro měnič.
Obr. 4 Zapojení dvojčinného propustného měniče Poněkud složitější je zapojení dvojčinného propustného měniče. Při popisu jeho funkce můžeme vycházet ze zapojení na obr. 4. Kondenzátory C1 a C2 slouží jako zásobník energie (stejně jako v případě jednočinného měniče kondenzátor C1). Rezistory R1 a R2 udržují ve středu děliče přibližně polovinu napájecího napětí: Do tohoto středu je připojen jeden konec primárního vinutí L1, druhý může být přes tranzistory T1 a T2 připojen na kladné nebo záporné napájecí napětí. Na sekundární straně je dvojčinný usměrňovač a pro funkci měniče důležitá tlumivka Tl. Při popisu činnosti se podíváme na průběhy napětí v některých místech měniče - viz obr. 5.
Obr. 5 Průběhy napětí v některých místech dvojčinného měniče 3
Tranzistory T1 a T2 střídavé připojují primární vinutí na kladné nebo záporné napájecí napětí. Tato napětí se přímo transformuje na sekundární vinutí. Protože se v transformátoru nehromadí tolik energie ve formě magnetického pole jako u blokujícího měniče, může být transformátor podstatně menší. Tranzistory jsou vždy otevřeny po dobu kratší než je polovina periody a proto na katodách diod D1 a D2 dostaneme pulsující stejnoměrné napětí, přičemž šířka impulsů odpovídá délce sepnutí T1 nebo T2. Výstupní napětí je úměrné velikosti napětí a šířce impulsů na katodách D1 a D2. Výstupní napětí se vlastně reguluje na tlumivce řízením doby sepnutí T1 a T2. Má-li zdroj několik výstupních napětí, jsou všechny tlumivky navinuty na společném jádře. To zajistí přibližně stejný poměr výstupních napětí i při rozdílné zátěži v jednotlivých větvích. Počet závitů a polarita vinutí musí být úměrná výstupním napětím. Praktický popis spínaných zdrojů Spínaný zdroj vyžaduje pro správnou činnost jistou minimální zátěž. Někteří výrobci doporučují 10%, což je někdy obtížně splnitelné. Napájí-li zdroj o výkonu 200 W bezdiskovou síťovou stanici, může být příkon komponent počítače i menší. Zpravidla však již zátěž několika procent zcela dostačuje. Tento typ měniče je mnohem méně odolný proti zkratu. Podaří-li se nám zkratovat výstup, zdroj zpravidla zničíme. Protože na některé součásti zdrojů bývají kladeny zvýšené nároky, nebude na škodu se zde o nich zmínit. Spínací tranzistor jednočinného měniče musí s rezervou vydržet napětí U1+U3 (viz obr. 3a), přičemž proud tekoucí sepnutým tranzistorem může dosáhnout i 2 A. U dvojčinného měniče musí spínací tranzistory vydržet napětí U1 (viz obr. 5) a proud asi 5 A.. Ze známějších typů lze použí bipolární BUT11A nebo BU508A, či unipolární IRF830 nebo BUZ90A. U blokujících měničů je kritická parazitní kapacita vinutí. Z těchto důvodů bývá primární vinutí rozděleno na dvě části, které jsou zapojeny do série. První část vinutí je zcela vespod, druhá jako poslední vinutí navrchu. Pro zmenšení ztrát je pro každé vinutí (zvláště sekundární) použito několik tenčích vodičů paralelně. Při stejném průřezu se tak zvětší povrch a omezí povrchový jev. Kritickou součástí měniče jsou usměrňovači diody na sekundární straně. Diody musí být dostatečně rychlé a nesmí mít velký úbytek napětí v propustném směru. Pro větší výstupní napětí a proudy do 1 A lze použít např. BY339, pro menší napětí a proud do 3 A např. BYW29-150. Pro malá výstupní napětí (5 V) je vhodné použít Schottkyho diody.
Obr. 6 Zapojení zdroje pro monitor s obvodem UC3842N
4
Na obr. 6 je zapojení zdroje z barevného monitoru SVGA, používajícího obvod UC3842N. Pro přehlednost byl ze zapojení vypuštěn síťový usměrňovač a vstupní filtr. Rovněž sekundární strana je pouze naznačena, v originálním zdroji je velmi podobná zapojení z obr. 2 v tomto případě se jedná o jednočinný blokující měnič, avšak kmitočet je určen řídicím obvodem. Po zapnutí se objeví napájecí napětí na C1. Přes rezistor R1 se pomalu nabijí C2. Řídicí IO není zatím aktivní, a odebírá proud menší než 1 mA. Když napětí na C2 dosáhne asi 16 V, změní se stav klopného obvodu uvnitř IO a aktivují se jeho další části. Na vývodu 8 se objeví referenční napětí +5 V a rozkmitá se vnitřní oscilátor. Na vývodu 6 se objeví impulsy pro řízení výkonového tranzistoru. Pokud se zdroj zdárně rozběhne, je řídicí obvod napájen z pomocného vinutí na primární straně (po usměrnění diodami D4 a D2). Napětí na kondenzátoru C2 je také použito jako srovnávací napětí pro stabilizaci. Přes dělič R3, R4 a R5 je přivedeno na vývod 2 IO. Toto napětí se porovnává s vnitřním referenčním napětím 2,5 V a vzniklá odchylka mění šířku budicích impulsů pro výkonový tranzistor. Rezistor R2 a kondenzátor C3 urychlují reakci stabilizátoru, R6 a C4 představují zpětnou vazbu zesilovače odchylky. Na rezistoru R10 se snímá proud, procházející tranzistorem a primárním vinutím transformátoru; proud má pilovitý průběh, viz obr. 3a. Dosáhne — li úbytek na tomto rezistoru a tím i na vývodu 3 IO velikosti napětí na výstupu zesilovače odchylky, překlopí se vnitřní klopný obvod R-S a ukončí se budicí impuls pro výkonový tranzistor. Jak je patrné z blokového zapojení na obr. 7, může se toto napětí pohybovat od 0 do 1 V v závislosti na výstupním napětí zesilovače odchylky. R11 a C7 odstraňují překmit, který vznikne v důsledku nabíjení parazitních kapacit ve vinutí transformátoru při sepnutí tranzistoru. Snímání proudu není důležité jen pro řízení šířky impulsu, ale také jako ochrana spínacího tranzistoru proti nadměrnému proudu. Tato ochrana je velmi kvalitní a spolehlivě ochrání tranzistor nejen při zkratu na výstupu zdroje, ale i při mezizávitovém zkratu na primárním vinutí, což jsem si sám omylem vyzkoušel. Primární vinutí transformátoru je opět dělené a jeho indukčnost je asi 0,5 mH. Kmitočet měniče je řízen vnitřním oscilátorem. Nastavení je zajištěno rezistorem R7 a kondenzátorem C5. Pro zlepšení kvality obrazu je i v tomto zdroji kmitočet měniče synchronizován kmitočtem řádkového rozkladu. Za tímto účelem je v sérii s C5 rezistor R15, na který jsou přivedeny synchronizační impulsy. L1 je opět jen smyčka vodiče provlečená jádrem vn transformátoru. AT zdroj 200W
5
Obr. 7 Zdroj AT 200W
Obr. 8 Zdroj AT 200W s řídícím obvodem KA 7500 B a dvojitým operačním zesilovačem LM 393 6
Obr. 9 Zapojení zdroje 200 W pro počítače PC-AT Na obr. 9 je zapojení zdroje 200 W, který je řízen obvodem TL494. Jen s malými obměnami je takto zapojena většina zdrojů s výkonem 180 až 250 W, určených pro napájení počítačů AT. Zdroj je zapojen jako dvojčinný propustný měnič s regulací výstupního napětí. Při popisu funkce si povšimneme nejdřív primární strany zdroje. Síťové napětí je přes filtr přivedeno na usměrňovač, který může být při napětí 110 V změněn ve zdvojovač. Kondenzátory C5, C6 a rezistory R1, R2 vytvářejí umělý střed na usměrněném napětí. Tranzistory T1 a T2 jsou výkonové spínací tranzistory měniče, které střídavě připojují jeden konec primárního vinutí na kladné nebo záporné napájecí napětí (proti středu). Výkonová větev začíná u spínacích tranzistorů (emitor T1, kolektor T2) a prochází nejprve pomocným vinutím budicího transformátoru Tr1 (vinutí 3), primárním vinutím hlavního transformátoru Tr2 (vinutí 1), primárním vinutím pomocného transformátoru Tr3 a kondenzátorem C9 na umělý střed napájecího napětí. Pro větší názornost je celá cesta ve schématu vyznačena tučně. Po připojení napájecího napětí je celá sekundární strana zdroje bez napětí. Protože řídicí obvod je napájen ze sekundární strany a je bez napájení, nemůže pochopitelně nic řídit. Budicí tranzistory T3 a T4 jsou zavřeny, naopak výkonové tranzistory jsou pootevřeny proudem protékajícím rezistory R5 a R7. Pomocí vinutí 3 transformátoru Tr1 je zavedena kladná zpětná vazba na vinutí 2a a 2b, která způsobí, že se výkonový stupeň měniče samovolně rozkmitá. Kmity mají relaxační charakter, po úzkém impulsu následuje relativně dlouhá mezera. Na výstupu zdroje se objeví napětí, které je vzhledem k povaze kmitů velmi malé. Pro napájení řídicího obvodu je napětí odebíráno ještě před výstupní tlumivkou (Tr4) a usměrněno diodou D14. Na kondenzátoru C16 je napětí odpovídající amplitudě kmitů a to je zpravidla již dostatečné pro práci řídicího obvodu. Jak se zvětšuje napětí na C16, otevírají se tranzistory T3 a T4 přes rezistory R20 a R21 a zkratovávají primární vinutí (1a, 1b) budicího transformátoru. To má za následek zmenšení kladné zpětné vazby a tím i utlumení kmitů. Je tak zabráněno nekontrolovatelným kmitům, pokud řídicí obvod z nějakého důvodu „nenaskočí". Rezistor R22 zajišťuje, že vinutí je zkratováno až po dosažení napětí dostatečného pro práci řídicího IO. 7
V běžném provozu je zdroj řízen pomocí IO1. Pokud jsou T1 i T2 zavřeny (viz obr. 5), jsou T3 a T4 otevřeny. Zabrání se tím „divokým" oscilacím. Pokud se má otevřít jeden z výkonových tranzistorů, zavře se příslušný budicí tranzistor. Proud procházející přes R23 a D5 nyní jen jedním primárním vinutím Tr1 vybudí napětí na bázi výkonového tranzistoru a pomocí kladné zpětné vazby (nyní je odblokována) jej uvede rychle do saturace. Pokud impuls skončí, otevřou se opět oba budicí tranzistory, kladná zpětná vazba zanikne a překmitem na budicím transformátoru se výkonový tranzistor rychle uzavře. Protože délka impulsu vnucená řídicím IO je kratší než délka impulsu při samovolné oscilaci, udrží se kladná zpětná vazba po celou dobu impulsu. Stabilizace napětí na výstupech zdroje je odvozena z výstupního napětí +5 V. Velikost ostatních napětí je zajištěna poměrem závitů na sekundární straně Tr2 a polaritou usměrňovacích diod. Pro správnou funkci zdroje je nutná výstupní tlumivka. Teprve na výstupu zdroje (za tlumivkou) je vyhlazené výstupní napětí. Toto napětí je úměrné velikosti napětí impulsu před tlumivkou a poměru šířky impulsu k délce periody. Zde je také další zvláštnost popisovaného zdroje - tlumivka pro jednotlivá výstupní napětí je na společném jádře. Jedná se tak o další transformátor. Dodržíme-li počet závitů a směr vinutí úměrný výstupním napětím, dostaneme další vazbu mezi jednotlivými napětími. V praxi jsou na výstupu zdroje odchylky do 10 % od jmenovitého napětí i při velmi odlišném zatížení jednotlivých větví. Z vnitřního zdroje referenčního napětí (vývod 14 IO) je přes dělič R15/R14 přivedeno napětí na invertující vstup (vývod 2) zesilovače odchylky. Na neinvertující vstup (vývod 1) je přes dělič R18/R16 přivedeno napětí z výstupu zdroje. Zpětná vazba R13, C13 zajišťuje stabilitu regulátoru. Napětí na výstupu zesilovače odchylky je porovnáno s napětím pilovitého průběhu, snímaným z kondenzátoru oscilátoru C12. Zmenší-li se např. výstupní napětí, zmenší se také napětí na výstupu zesilovače odchylky. Prodlouží se budicí impuls. Budicí tranzistory jsou déle otevřené. Šířka impulsu před tlumivkou se zvětší a napětí se „dorovná".
Druhý zesilovač odchylky je za normálních okolností zablokován předpětím přivedeným na invertující vstup (vývod 15). Zvětší-li se z nějakého důvodu proud tekoucí výkonovou větví zdroje na primární straně, nakmitá se na vinutí 2 transformátoru Tr3 napětí, které se po usměrnění diodou D13 odečítá od předpětí na vývodu 15 IO. Zmenší-li se napětí na tomto vývodu pod 0 V, začne druhý zesilovač odchylky pracovat, převezme řízení délky impulsu a zkracuje impuls tak dlouho, dokud se proud nezmenší na přípustnou velikost. Tato ochrana působí velmi dobře při pozvolném zvětšování proudu, při zkratu na výstupu reaguje však zpravidla pozdě. Proto náhodný zkrat skončí obvykle destrukcí výkonových tranzistorů. Transformátor Tr3 je často realizován na toroidním jádru o průměru asi 1 cm. Sekundární vinutí tvoří 20 až 30 závitů, jako primární vinutí slouží vodič prostrčený středem transformátoru. Povšimněme si obvodu připojeného k vývodu 4 řídicího IO. Napětím na tomto vývodu (v originále označeném Dead time control) můžeme ovlivnit maximální šířku impulsu na výstupu IO, tj. maximální čas, po který je zavřen T3 či T4, případně otevřen T1 či T2. Největší šířky je dosaženo při nulovém napětí. Při zvětšování napětí se impuls zkracuje, až zcela zanikne. Při startu zdroje je kondenzátor C14 vybit a na vývodu 4 se krátce objeví napětí +5 V referenčního zdroje. Řídicí obvod je zablokován, napětí na vývodu 4 se však rychle zmenšuje (jak se nabíjí C14). Na výstupu IO se objeví impulsy, které jsou stále delší. Kombinace C14 a R24 tak zajišťuje měkký start zdroje. Naopak krátce po startu je otevřen tranzistor T5 proudem protékajícím kondenzátorem C17 a rezistorem R27. Protože časová konstanta C17*R27 je delší než časová konstanta C14*R24, trvá tato fáze déle než úvodní měkký start. Než se nabije C17 a následně uzavře T5, musí se na výstupu zdroje ustálit napětí. Pak se otevře tranzistor T6 a udržuje nadále na vývodu 4 nulové napětí. Není-li z nějakého důvodu dosaženo výstupních 8
napětí v požadovaném čase, uzavře se tranzistor T5, T6 se neotevře a přes R25 a D10 se na vývod 4 dostane napětí referenčního zdroje a zablokuje řídicí obvod. Pro práci počítače je nutný signál Power Good (PG). Oznamuje počítači, že zdroj je v pořádku a dává správná napětí. Je nutné, aby tento signál přešel z 0 na +5 V (z log. 0 na log. 1) se zpožděním (po startu zdroje). V počítači je buď přímo, nebo přes rezistor spojen se signálem RESET na základní desce. Není-li signál RESET generován pomocí PG, je po zapnutí počítače nutno stisknout příslušné tlačítko. Ve zdroji je signál PG generován pomocí dvou komparátorů z obvodu LM339. Při startu je prodleva na signálu způsobena nabíjením kondenzátoru C19 přes R38. Napětí se hlídá usměrněním napětí na sekundární straně ještě před výstupní tlumivkou. Amplituda impulsů na sekundární Tr2 je totiž přímo úměrná napětí na primární straně zdroje. Při vypnutí zdroje se zmenšuje amplituda impulsů na sekundární straně zdroje úměrně tomu, jak se vybíjejí kondenzátory C5 a C6. Výstupní napětí zatím "drží", neboť řídicí obvod prodlužuje šířku impulsů, zmenšuje se však napětí na C18. Zmenší-li se napětí na výstupu děliče R35, R36 pod 2,5 V, překlopí se komparátory a signál PG přeje do log. 0 (0 V) dříve, než zanikne napájecí napětí. Součástky spínaných zdrojů Druh použitých součástek ve spínaných zdrojích je závislý na kvalitě spínaného zdroje. U kvalitních spínaných zdrojů je součástek více, u méně kvalitních spínaných zdrojů některé součástky chybí nebo jsou nahrazeny méně kvalitními. Toto ochuzení součástek u méně kvalitních zdrojů je nejvíce patrné ve vstupním filtru. Spínaný zdroj bude fungovat i bez vstupního filtru, ale bude produkovat rušení. To je pro výrobce už méně podstatné. Spínací tranzistory Na spínací tranzistory jsou kladené požadavky z hlediska napěťového namáhání, tak z hlediska spínací rychlosti. Tranzistor jednočinného měniče musí s rezervou vydržet napětí 900V a proud přes 2A. Tranzistor dvojčinného propustného zdroje není tak namáhaný napěťově takže stačí, pokud vydrží 500V. Proud tranzistorem může dosáhnout u 200W zdrojů 5A, u 300W zhruba 7A. U jednočinných zdrojů se často používají unipolární tranzistory z důvodu vyšší frekvence spínání. Nevýhodou bipolárních tranzistorů je to jestliže chceme, aby se tranzistor co nejrychleji sepnul, je nutné dodat do báze tranzistoru velký proud. Unipolární tranzistory mají podstatně menší nároky na buzení, ale při vyšších frekvencích se negativně uplatňuje parazitní kapacita hradla. Tranzistory dvojčinných zdrojů bývají řízeny přes oddělovací transformátor, který umožní buzení báze spínacích tranzistorů dostatečně velkým proudem. Oddělovací transformátor umožňuje také elektrické oddělení řídícího obvodu od síťového napětí. Unipolární tranzistory bývají buzeny přímo řídícím obvodem, takže zpětnou vazbu musí provádět další obvod, který je umístěn na sekundární straně. Zpětná vazba je přenášena přes optron, to je základní rozpoznávací znak jednočinných zdrojů. Elektronická ochrana spínacích tranzistorů Spínací tranzistory jsou chráněný před nadproudem proudovým transformátorem. Proudový transformátor bývá realizován několika způsoby. Nejčastěji to bývá klasický malý transformátor kde proudový obvod, je tvořen jedním závitem a sekundární strana je tvořena zhruba 30 - 40 závity. Napětí, které se naindukuje na sekundární straně je usměrněno a pokud dosáhne určité velikosti zablokuje řídící obvod. Tento stav se nejčastěji projeví při zkratu na sekundární straně. Zdroj při zablokování řídícího obvodu slabě piští a dává velmi malé napětí. Zdroj se nerozběhne ani po odstranění zkratu a proto je nutno zdroj odpojit od sítě a chvíli 9
počkat dokud se nevybijí filtrační kondenzátory. U některých zdrojů je proudový transformátor realizován toroidním prstencem o průměru 20mm přes který je protažen izolovaný vodič.
Obr. 10 ochranný transformátor transformátor v klasickém provedení
Obr. 11 ochranný v toroidním provedení
Filtrační kondenzátory U jednočinných zdrojů je kondenzátor namáhán napětím okolo300-350V. Pro jednočinné měniče se používají kondenzátory s maximálním napětím 400V. Kapacita těchto kondenzátorů se pohybuje kolem 68-150µF Dvojčinné měniče mají dva kondenzátory, každý kondenzátor je namáhán napětím okolo 150V. Pro dvojčinné měniče se používají kondenzátory s maximálním napětím 200V a kapacitou 150-680µF. Filtrační kondenzátory tvoří hned po transformátoru největší část spínaného zdroje. Výrobci se proto snaží neustále zmenšovat rozměry a zvyšovat kapacitu. Feritový transformátor Na transformátor spínaného zdroje jsou kladeny zvýšené požadavky. Z tuzemských materiálů vyhoví těmto požadavkům pouze materiál H21. Nejčastěji se používá magnetický obvod s mezerou z důvodu vyrovnání permeability magnetického jádra v závislosti na sycení. Na materiál pomocných zdrojů už nejsou kladeny zvýšené požadavky.
10
Obr. 12 Různé provedení řídících transformátorů
Obr. 13 Různé provedení hlavních transformátorů pro AT zdroje o výkonu 200W s vyvedením společným uzlem
Obr. 14 Různé provedení hlavních transformátorů pro zdroje AT o výkonu 250W, 300W, 350W, 550W Akumulační tlumivky 11
Akumulační tlumivky spínaných zdrojů jsou nejčastěji navinuty na želoznoprachovém toroidním jádře. Vinutí 12V větve je provedeno jedním vodičem o průměru 1mm, 5V větev je navinuta dvěma paralelními vodiči o průměru 1mm. Záporné napětí – 12V, je navinuto jedním vodičem o průměru 0,3mm. U ATX zdrojů je ještě tlumivka na napětí 3,3V, toto napětí se získá tak že se s 5V vinutí usměrní napětí pouze jednou diodou, takže po vyhlazení vznikne 3,3V. tlumivka pro 3,3V je navinuta na tyčovém feritu.
Obr. 15 Filtrační tlumivka a kondenzátor
Obr. 16 Akumulační tlumivka
pro pro napětí 3,3V
všechna výstupní napětí
Obr. 17 Akumulační tlumivky pro různé výkony Řídící obvod 12
Obvod UC 3842N je podle katalogu určen pro buzení bipolárních a polem řízených tranzistorů. Tento obvod obsahuje navíc děličku dvěma a hradlo takže odstraní každí druhý výstupní impuls. Navenek tedy obvod budí spínací tranzistor impulsy s polovičním kmitočtem a šířka impulsů může být maximálně jen 50 procent. Ostatní funkce jsou zcela shodné s UC3942N.
Obr. 18 Blokové zapojení obvodu TL494 Další obvod, který se často používá ve spínaných zdrojích, je TL494. Podle výrobce může být označen také K7500 nebo IR3M02. Jeho blokové schéma je na obr. 18. Obvod obsahuje zdroj referenčního napětí +5 V, nastavitelný oscilátor, obvod pro hlídání šířky impulsu (Dead time control), dva zesilovače regulační odchylky (Error amp.) a budič výstupních tranzistorů. V logice budiče je dělička dvěma a hradla, která podle napětí na vývodu 13 (Output control) spínají výstupní tranzistory buď současně (0 V) nebo střídavě (+5 V). Povšimněte si způsobu, jakým je řízena šířka výstupního impulsu. Zatímco u obvodu UC3842 je napětí zesilovače odchylky porovnáváno s napětím snímaným na emitorovém rezistoru výkonového tranzistoru (má přibližně pilovitý průběh), je u obvodu TL494 napětí zesilovače odchylky porovnáváno s napětím na kondenzátoru (má rovněž pilovitý průběh). Proud tekoucí výkonovými tranzistory je možno hlídat jinými způsoby, o jednom z nich se zmíním při popisu konkrétního zdroje. Pomocí napětí na vývodu 4 (Dead time control) je možno řídit maximální šířku výstupního impulsu. Na tento vývod bývá zpravidla připojen obvod zajišťující měkký start zdroje a obvod pro hlídání mezí výstupních napětí.
13
Obr. 19 Řídící obvod TL 494 a dvojitý operační zesilovač LM 339 Obvod LM 339 má dva zesilovače odchylky, jejichž výstupy jsou spojeny paralelně. Pro regulaci výstupního napětí se používá zpravidla jen jeden. Druhý bývá zapojen paralelně k prvnímu, případně vyřazen z funkce přivedením vhodných napětí na jeho vstupy. Další možnost je použít jej pro hlídání funkce zdroje. Vstupní filtr Vstupní filtr zamezuje pronikání spínacího kmitočtu do síťového rozvodu. Filtr se skládá z LC členů, varistorů a usměrňovače. Nejčastěji jsou tvořeny indukčnosti pomocí proudově kompenzovaných toroidních tlumivek. Výhodou těchto tlumivek je to že s narůstajícím proudem neklesá perneabilita jádra. Kondenzátory jsou tvořeny normalizovanými kondenzátory o přesných kapacitách. Tyto kondenzátory lze snadno rozeznat od jiných, protože jsou jasně modré. Další součásti vstupní části je NTC rezistor, který má zabránit proudovému nárazu při zapnutí zdroje. O spínaných zdrojích se často šíří pověsti okolo proudového nárazu. Tyto pověsti šíří lidé, kteří nerozumí funkci spínaného zdroje. Tento proudový naraz, není způsoben indukčností zdroje ale kapacitou vyhlazovacích kondenzátorů. Elektrolytické vyhlazovací kondenzátory tvoří při zapnutí zkrat. Jediným odporem v cestě proudu je NTC rezistor. Zdroj začne fungovat asi po 0,5s. To je zajištěno obvodem pro hlídání šířky impulsu. Proudový náraz má omezit NTC rezistor. Jeho odpor v okamžiku zapnutí je přibližně 15Ω za 1s se zmenší na 1Ω. Velmi důležitou úlohu ve vstupní části hraje pojistka. U 150W zdrojů se používá pomalá pojistka 2,5A, u 200W zdrojů 3,15A , u 300W zdrojů 5A. Pojistku není dobré v žádném případě nahrazovat silnější pojistkou nebo dokonce šroubkem M4. Následky této opravy by nemusely splnit očekávání. Zkrat transformátorů by neskončil přepálením pojistky, ale naprostou destrukcí zdroje. V případě, že je takto upravený zdroj připojený na domovní rozvod, kde jsou pojistky upraveny podobným způsobem, výsledný zvukový, světelný, tepelný efekt by mohl zcela zastínit podobné efekty profesionálních ohnňostojů. U nejkvalitnějších spínaných zdrojů se nacházejí ve vstupním filtru přepěťové ochrany z varistorů. Varistory připomínají svým vzhledem normalizované kondenzátory. Velmi důležitou součástkou vstupní části je usměrňovač. Usměrňovač je tvořen u levnějších zdrojů obyčejnými diodami, u kvalitnějších zdrojů je tvořen gretzovým usměrňovačem v plastickém pouzdru. 14
Vstupní filtr bývá velmi často u levných zdrojů dosti očesán. Proudově kompenzované tlumivky jsou nahrazeny na plesném spoji jen drátovými propojkami. Normalizované kondenzátory jsou nahrazeny často kondenzátory s nevyhovující kapacitou.
Obr. 20 Vstupní filtr s pojistkou a NTC rezistorem
Obr. 21 Zdroj ATW 300W s regulací otáček ventilátoru Úprava spínaného zdroje na 13V/7A 15
Typický zdroj pro PC je uzavřen v kovovém krytu o velikosti asi 150 x 150 x 85 mm. Menší provedení z plochých počítačových skříní mívají často jiné zapojení, zdroje z notebooků jsou zpravidla zcela odlišné. Na zadní straně krytu je vidět mřížka a pod ní ventilátor chlazení, vedle vstupní konektor pro připojení síťové šňůry a výstupní konektor pro napájení monitoru Mezi nimi bývá někdy přepínač napětí 110/220 V. Z přední strany krytu vystupuje silnější kabel zakončený případně vypínačem a svazek barevných vodičů s konektory pro napájení částí počítače. Významy barev vodičů jsou následující: černá = zem, 0 V (propojeno s krytem zdroje a ochranným vodičem v přívodu), červená +5 V, žlutá +12 V, bílá -5 V, modrá -12 V, oranžová je signál PG (Power good oznamuje základní desce počítače, že všechna napětí jsou v pořádku). Sejmeme kryt, zdroj očistíme a prohlédneme si osazené součástky. Měli bychom nalézt dva velké elektrolytické kondenzátory na napětí 200 V nebo větší, usměrňovač síťového napětí (čtyři jednotlivé diody nebo jeden blok), větší výkonový impulzní transformátor a další malý budicí, dva výkonové spínací tranzistory na chladiči, další chladič s diodami, jednu toroidní tlumivku s několika vinutími silným drátem a pravděpodobně nějaké další menší. Na desce bývají dva běžně dostupné integrované obvody, řídicí TL494 nebo ekvivalent a pro doplňkové funkce komparátory LM393 nebo LM339. Komparátory mohou být zastoupeny nebo doplněny obvody s několika tranzistory. Pokud toto souhlasí, zejména typ řídicího obvodu, můžete zkusit pokračovat dál podle tohoto popisu. 1. Úprava spínaného zdroje Nejčastějším cílem úpravy je získat zdroj napětí 12 až 13,8 V s co největším použitelným proudem. Po připojení síťového napětí pracuje měnič jako neřízený, volně běžící. Teprve když se na výstupu objeví napětí nutné k činnosti řídicích obvodů, přejde do pracovního režimu a napětí stabilizuje. Podle zatížení je upravován režim činnosti zdroje především změnou šířky spínacích impulzů, mírně se mění i kmitočet nastavený obvykle mezi 30 až 50 kHz; novější zdroje mívají spíše vyšší kmitočet. Kmitočet lze případně mírně upravit změnou rezistoru a kondenzátoru připojených na vývody 5 a 6 obvodu TL494. Změny děláme jen v nutném případě (třeba kvůli rušení) a relativně malé, větší by vyžadovaly i úpravy dalších součástek včetně výkonového transformátoru. Konstrukce zdroje nutně vyžaduje, aby jeho výstup +5 V (případně i +12 V) byl zatížený alespoň minimálním proudem. U některých zdrojů se minimální proud uvádí přímo na štítku a je dosti velký - například 7A z větve +5V a 2A z větve +12 V. Podle zkušeností většinou stačí ke spolehlivé činnosti řídicích obvodů odběr podstatně menší, zpravidla 0,1 až 0,3 A jen z výstupu 16
+5 V. Proto pokud neupravený zdroj zkoušíme, připojíme na tento výstup třeba žárovku 6,3V/0,3A. I po úpravě bude nějaké zatížení nutné, vytvoří ho jednak odběr ventilátoru (+12V), jednak „předzátěž“ ze žárovky 12V/4W nebo výkonových rezistorů. Zdroj spuštěný bez zátěže nespíná pravidelně, nestabilizuje a jeho výstupní napětí může ve špičkách podstatně překročit jmenovité hodnoty, až se poškodí nebo zničí řídicí obvody. Při pomalejším nárůstu napětí vypne zdroj přepěťová ochrana. Doporučuji nezkoušet to, chyby způsobené poškozeným (ale ne zcela zničeným) řídicím obvodem se při oživováni velmi těžko identifikují. Také se mohou nedostatečně vybudit výkonové prvky a následně zničit teplem vyvíjeným prací v lineárním režimu. Náchylnost k poškození je velmi rozdílná podle typu zdroje, některé snášejí zapnutí naprázdno zcela bez problémů, jiné se zničí po několika sekundách. Nejjednodušší úprava spočívá v přidání vhodné zátěže na výstup +5 V. Už proud kolem 350 mA z výstupu +5 V zajistí přijatelnou činnost zdroje naprázdno, ale při zatížení proudem 3 A z větve +12 V klesne napětí k 11V. Aby napětí ani při proudu 7,2 A neklesalo pod 12 V, je třeba zatížit výstup +5V proudem asi 2,3 A (napětí naprázdno těsně přes 13 V). Další zatížení větve +5 V zlepší parametry už jen nepatrně, při 5 A se napětí z výstupu už pohybuje jen v mezích 13,2 až 12,1 V.
17
Obr. 22 Síťové konektory zdroje před úpravou a po úpravě Sejmeme kryt, odpojíme konektor síťového napájení a přívod k ventilátoru z desky, desku s plošnými spoji odšroubujeme a vyjmeme. Odpojíme kabel se spínačem, vyjmeme výstupní konektor napájení monitoru. Na jeho místo připevníme kovovou nebo laminátovou krytku se zapuštěným novým síťovým spínačem, přišroubujeme ji k plechu původními šrouby. Musíme dát pozor na to, aby ochranný žlutozelený vodič zůstal připojen na kovový kryt zdroje. Pokud byl zdroj vybaven přepínačem 110/220 V, zjistíme, jak jím byly propojeny přívodní vodiče v poloze 220 V, přepínač odpojíme a nahradíme pájenými vodiči. Většinou to znamená jen uštípnout těsně u desky oba přívodní dráty (pro 220 V jsou rozpojeny), ale u některých variant je třeba navíc udělat jednu drátovou propojku. Jestliže je poblíž vstupu síťového napětí na desku držák s trubičkovou pojistkou, zjistíme a poznamenáme si její parametry. Silnější nebo pomalejší pojistky nikdy nepoužíváme, vede to jen k likvidaci zdroje. Stejně barevné vodiče jsou ve svazku vícekrát (zem většinou desetkrát, 18
+5 V šestkrát, ... ), na desce jsou ale propojeny do jednoho bodu. Oddělíme jeden červený vodič, tři žluté a čtyři černé, ostatní uštípneme těsně u desky. Na ventilátor přišroubujeme dva držáčky ohnuté z měděného drátu a mezi ně připájíme paralelně dva výkonové rezistory 3,9Ω, minimálně pro 8 W Jeden z červených a jeden z černých vodičů zkrátíme a připojíme na rezistory, které budou tvořit předzátěž. Z proužku laminátu vyřízneme kryt přes otvory, kterými původně procházely kabely. Do něj zašroubujeme nové výstupní zdířky a připojíme k nim trojici černých a trojici žlutých vodičů. Nakonec doplníme mezi zdířky LED s předřadným rezistorem 1,5 kΩ, signalizující zapnutí zdroje. Na spodní stranu krytu přilepíme gumové nožičky a kryt sešroubujeme. Po ověření
činnosti,
zkoušce
na
maximální
proud
(7,2 A) po dobu nejméně 30 minut a opětovném prověření za tepla je zdroj připraven k použití. Uvedený postup lze použít jen u zdrojů, v nichž byla zpětná vazba odvozena od obou větví současně. Výsledkem úpravy je zdroj napětí 12 až 13 V se zatížitelností 0 až 7A. Zvlnění na výstupu u upravených kusů nepřekročilo 40 mV (mezivrcholově). Zůstávají zachovány původní ochrany, tedy přepěťová (vypíná kolem 13,5 V), nadproudová (asi 9 až 10 A), případně i teplotní vázaná na hlavní chladič. Každá z nich způsobí vypnutí zdroje, po kterém se musí vypnout síťový přívod a počkat nejméně 5 sekund před dalším zapnutím. Nevýhodou úpravy zdroje je především zmenšená energetická účinnost (jen na předzátěží se zbytečně ztrácí asi 13 W), napětí těsně nad 12 V (obvykle jsou podobné napájecí zdroje nastaveny blízko horní hranice 13,8 V), jen částečná stabilizace napětí a také rychlá vypínací elektronická pojistka. Ta sice přístroj chrání, ale bohužel také vypadne při připojení napájeného zařízení s větší vstupní kapacitou na zapnutý zdroj nebo tehdy, kdy se na krátký okamžik zvětší odběr - třeba při rozsvícení žárovky. Vypnutí zdroje nebývá způsobeno přímo proudovou špičkou, ale naopak okamžitou reakcí regulace, mžikovým vzrůstem napětí a vypnutím přepěťové ochrany některého z nestabilizovaných výstupů. 2. Úprava spínaného zdroje Při této úpravě musíme na desce najít a upravit zpětnou vazbu tak, aby stabilizovala jen větev +12 V Současně zvětšíme napětí na 13,5 V a zmenšíme výkonové ztráty na předzátěži. Při hledání zapojení zpětné vazby se soustředíme především na vývody 1, 2, 15 a 16 řídicího obvodu, nejčastěji je vstupem snímání napětí vývod 1. Změříme za chodu napětí na vstupu 1, zjistíme odpor rezistoru mezi ním a zemí a vypočteme proud děličem.
19
Obr. 23 Snímání napětí pro zpětnou vazbu (před a po úpravě)
Odpojíme rezistory k oběma větvím. Spočítáme nový odpor pro napětí na větvi +12,0 V (zatím ne 13,8 V) a osadíme ho na delších přívodech. Jako předzátěžový rezistor stačí tentokrát jediný kus 47 Ω/6 W (proud kolem 0,25 A). Připojíme ho na jeden žlutý a černý vodič nebo jednoduše k výstupním zdířkám. Zdroj vyzkoušíme. Pokud je vše v pořádku, mělo by napětí naprázdno být blízké 12 Va při zatížení by se nemělo měnit, drobné odchylky asi do 10 mV jsou normální. Odstranění předzátěže z větve +5 V vyvolá i na ní růst napětí nad 6 V, kdy vypne přepěťová ochrana. Tomu nejjednodušeji zabráníme přidáním druhé předzátěže - rezistoru 3,9 Ω pro příkon minimálně 8 W na výstup větve +5 V. Aby bylo možné umístit dva rezistory na větrák, musí být tentokrát jejich nosník z proužku kuprextitu s rozdělenou vrstvou mědi. Znovu vyzkoušíme funkci. Napětí by už mělo být velmi dobře stabilizované od proudu 250 mA po 7,5 A.
Obr. 24 Oblast řídící elektroniky s integrovanými obvody (IO TL494, LM339) 20
Spočítáme odpor trimru pro regulaci napětí v rozsahu 3 až 4 V a zapojíme ho sériově k novému rezistoru. Trimr na desku mechanicky přichytíme třeba bokem přilepením. Nyní by mělo jít nastavit výstupní napětí od 12 do 15 V, zvolíme asi 13,5 V. Znovu vyzkoušíme stabilizaci při různém odběru. Je možné, že při větším odběru ochrana vypne zdroj, pak napětí trochu zmenšíme nebo zvětšíme proud předzátěže z větve +5 V. U tohoto stavu můžeme už zůstat nebo funkci dále zlepšovat. Od výstupu +5 V sledujeme zapojení zpět až k výkonovému transformátoru a těsně před ním přerušíme spoje u obou vývodů. Pokud jsou plošným spojem propojeny dva vývody výkonového transformátoru, musí toto spojení zůstat zachováno! Odstraníme i předzátěž z větve +5 V, je už zbytečná. Pokud byla přepěťová ochrana všech větví vedena do odporové sítě a vyhodnocována jediným komparátorem, zbavili jsme se nejen "obtížné" větve +5 V a její ochrany, ale přestavili jsme tímto zásahem současně i přepěťovou ochranu větve +12 V na větší napětí - odpojená větev ji "táhne dolů". Vyzkoušíme znovu funkci a pomalu zvětšujeme napětí od 12 V nahoru. Pokud přepěťová ochrana nevypíná zdroj dřív než při 14,5 V, a to při malých i velkých proudech a ani po zahřátí, je vše v pořádku. U zdrojů, v nichž je napětí větví vyhodnocováno vždy samostatným komparátorem, pravděpodobně bude ochrana tvrdošíjně vypínat mezi 13 a 14 V. Pak nezbude, než sledovat zapojení větve +12 V od transformátoru k výstupu. V některém místě najdeme rezistor odbočující k ochrannému obvodu. Zjistíme jeho odpor, paralelně k němu připájíme další tak, aby se výsledný odpor zmenšil asi o 5 až 10 % a znovu vyzkoušíme, kdy přepěťová ochrana vypne při zvětšování napětí. Pokud jsme našli správný rezistor, zmenšilo se mírně napětí, při kterém pojistka vypne. Rezistor vyjmeme a nahradíme jiným s nejbližším větším odporem. Vyzkoušíme mez napětí a případně znovu zvětšíme odpor, až pojistka snese i 14,5 V. Pak nastavíme požadované napětí 13,5 až 13,8 V. Pokud je ventilátor napájen z větve +12 V, zařadíme do přívodu k ventilátoru sériovou kombinaci dvou až tří diod pro zmenšení napájecího napětí. Změříme odběr ventilátoru při 13,5 V na výstupu. Po zapojení ventilátoru můžeme zmenšit proud předzátěžovým rezistorem (zvětšit jeho odpor) tak, aby součet proudů byl kolem 250 mA. Tím omezíme ztráty ve zdroji. U ventilátorů napájených z větve - 12 V úpravu neděláme! Smontujeme kryt zdroje a při finální zkoušce znovu otestujeme chování při malých proudech i při maximálním odběru přes 7 A, obojí za studena i po důkladném zahřátí nejméně půlhodinou chodu pod maximálním zatížením. Tato druhá varianta úpravy zdroje poskytuje už výborně stabilizované napětí i při odběru proudu do 7 A. 21
Pozor! Podstatné části zdroje jsou při činnosti galvanicky spojené se sítí 230 V nebo usměrněným síťovým napětím přesahujícím 300 V. Před jakoukoli manipulací se zdrojem je nutné odpojit přístroj od sítě a následně vybít kondenzátory v primární části, jinak hrozí možnost smrtelného úrazu! Úprava zdroje vyžaduje určitou praxi a návyky při konstrukci elektronických zařízení i znalost zásad práce se síťovým napětím a proto NENÍ VHODNÁ PRO ZAČATEČNÍKY.
22
