Содержание
Блок питания для одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входных напряжений на LNK304
Автор: KomSoft, kom_soft@ukr.net
Опубликовано 09.07.2015
Создано при помощи КотоРед.
Введение.
Для питания маломощной аппаратуры, не требующей гальванической развязки, от сети переменного тока 220В часто применяются бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Их преимущество – простота, минимум деталей и отсутствие моточных изделий (трансформаторов). Недостатки – малый ток, низкий КПД и нестабильность выходного напряжения и тока нагрузки. Пример такого блока показан на рисунке.
Рис. Типовая схема бестрансформаторного источника питания с гасящим конденсатором
Тем не менее они достаточно широко находят применение даже в заводских устройствах. Я вдоволь намучался с реле напряжения РН-40, которое начало чудить после двух лет работы, причина – блок питания, выполненый по варианту а). В более продвинутом РН-40А блок собран уже по варианту б). Затем как приличный кот из семьи радиолюбителей для себя, любимого, я собрал аналогичное устройство на МК – "Устройство защиты от критических изменений сети 220 Вольт" [1], но блок питания сделал уже по варианту б). Затем был собран"Трехканальный вольтметр на контроллере от Eddy71" [2] с запиткой от одной фазы. При установке в трехфазную розетку конденсаторный блок питания с питанием от одной фазы вызывал срабатывание УЗО. Запитка от трех фаз потребовала бы трех габаритных конденсаторов типа 1мкФ*630В и кучи диодов, т.к. для нормальной работы конденсатору нужен двухполупериодный выпрямитель. Опять чувство неудовлетворенности осталось.
Тут в городскую квартиру пришла беда – 380В, а все эти реле напряжения стоят на даче. Чтобы не воевать с ЖЭКом, купил заводские DigiTOP V-protector. Заявленое индицируемое (а значит и рабочее) напряжение 50-400В. Почему-то в интернет читать про них полез уже после покупки и был непрятно удивлен – там также стоит источник питания с гасящим конденсатором [3], выполненый судя по всему по варианту б), хотя я ожидал чего-то более серьезного.
На форумах прозвучала очень разумная фраза о том, что все устройства защиты должны выдерживать максимальное напряжение, чтобы на сгореть самим, а после возврата напряжения в норму снова включить нагрузку. А моя возня с конденсаторными блоками очень сильно уронила уровень доверия к ним.
Теоретическая часть.
Итак, нужен относительно простой, недорогой, компактный блок питания с выходным током до 100-150мА. Блок будет применяться в приборах с изолированым корпусом, не требующих частого контакта с человеком – типа щитовых вольтметров, реле напряжений и аналогичных устройств. (Для устройств, требующих гальваниченкую развязку или больший ток будем применять трансформаторные / импульсные блоки). Современная элементная база предлагает нам серию микросхем LinkSwitch-TN LNK304-306, но у них заявленый диапазон входных напряжений – 85-265VAC. Применение их в источниках питания описано, например в "Недорогой вариант импульсного источника питания для электросчетчика" [4], там же приводится сравнение с конденсаторными блоками.
А нам нужен блок питания со входным напряжением 40-400VAC!
Заинтересовала статья "Устройство защиты от перенапряжения 220В" [5], но два конденсатора по 3,3мкФ*450В это многовато по объему, да и сама входная часть вызвала вопросы, ответов на которые чтение форумов не дало. Первичный поиск радиолюбительских конструкций (т.е. собраных дома своими руками) также ничего не дал.
К счастью, на помощь пришли производители микросхем для источников питания. Более глубокий поиск дал Design Example Report, а именно – технологиию StackFET (добавление последовательно с ключом микросхемы внешнего МОП-транзистора). Статья называется "3 W Wide Range Flyback Power Supply using LNK304P" [6], и она же на русском – "Разработка источника питания с широким диапазоном входного напряжения для промышленной трехфазной сети" [7]. Заявлены параметры: Input: 57 VAC – 580 VAC; Output: 12 V, 250 mA.
Очень круто, но для моих применений слишком сложная (в том числе требует намотки трансформатора), хотя идея прекрасная и есть гальваническая развязка.
Дальнейшие изыскания показали другое решение – "Импульсные источники питания ST для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии" [8] на VIPer17. Тут заявлено входное напряжение 90…440В, также есть гальваническая развязка (что снова требует намотки трансформатора), но зато для снижения прикладываемого к микросхеме напряжения применено более простое решение – линейный ограничитель-стабилизатор напряжения.
Чтобы избежать излишнего цитирования, выдержки из статей приводить не буду, но категорически советую почитать – познавательно и нужно для понимания вопроса.
Практическая часть.
И вот то, "ради чего все и писалось". Практическая схема бестрансформаторного импульсного блока питания от одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входного напряжения.
Скомбинируем эти схемы. Преобразователь возьмем на LNK304 по стандартной схеме из даташита. Добавим к нему линейный ограничитель-стабилизатор напряжения, построенный на N-канальном транзисторе как в [8]. А вот выпрямитель сделаем однополупериодным, чтобы обеспечить прямое прохождение "нуля". Дело в том, что сборка [1] показала, что при отпускании реле (т.е. уменьшении потребляемого тока) измеренное напряжение подскакивает вольт на 10. Скорее всего это происходит из-за изменения падения напряжения на нижних диодах мостового выпрямителя.
Конечно, такая схема не обеспечит функционирование в случае пропадания нейтрали, но для правильности измерения так лучше. Для питания устройства, которое не требует прямой связи с "нулем", нужно использовать полноценную трехфазную четырехпроводную схему выпрямителя на двух мостиках, как в [6]-[8].
Расчет программой PIXls Designer 9 для LinkSwitch-TN LNK304: при VACmin=85V, VACmax=265V, FL=50, topology – Buck,
| 7 | |
| Iout, A | 0.08 |
| Cin, mkF | 4.7 |
| Output Inductor (MIN), mkHn | 421 |
| Rbias, kOm | 2.0 |
| Cfb, mkF | 10 |
| Rfb, kOm | 6.13 |
| Rfb, kOm, мой (при R3=2К) | 6.48 |
Расчет Rfb по стандартной формуле (для Vfb=1.65V) дает несколько другие результаты.
Плата разведена под конкретный корпус, поэтому сильно отличается от референсного дизайна, что не сказалось на работоспособности. От 220В (однофазного) запустилась сразу. При номиналах R3=2K, R1+R2=6K5 (4K7+1K8) выдает 6,7В на выходе (по расчетам – 7,01). Для проверки вначале нагружена на резистор 160 Ом (42мА), затем подключен вольтметр [2] с током потребления 36-40мА. С каждой из нагрузок по отдельности и с двумя нагрузками одновременно работает нормально.
Файл с платой не привожу, т.к схема очень простая (посмотрите как изящен референсный дизайн в даташите на LNK304) – развести под свои корпус и детали не составит труда.
Детали.
Все описано в даташите на микросхему [9]. “Любой стандартный дроссель подходит. Рекомендуется на гантельке”. Дроссель L2 в целях экономии взят от БП АТХ, L1 – покупной, но я думаю, что при наличии L-метра можно и перемотать на гантельке. Конденсаторы C6-C7 пленочные на напряжение не менее 400В. C5 – на напряжение 400-450В, конденсатор C2 – LowESR, диод D1 обязательно UltraFast (UF4005), остальные диоды – дешевые медленные 1N4005-4007 (падение напряжения на D1 и D2 должно совпадать). Резисторы R1-R3 желательно (но не обязательно) прецезионные, т.к. есть возможность составить из двух. Транзистор Q1 – высоковольтный (2 Ом/600 В).
Испытания.
Испытания проводились на таком полигоне: выход ЛАТРа подключаем к половинке первичной обмотки (т.е. 110В) ТС-180. С полной первички (220В) снимаем напряжение на схему (вторичка ТС-180 не истпользуется). Т.е. ТС-180 включен как автотрансформатор с коэффициентом 1:2.
Выставляем на ЛАТРе 110В – на ТС-180 и входе схемы будет около 220В, на C5 – около 300В. Плавно повышаем, с какого-то момента (около 250-260В на входе блока) напряжение на конденсаторе на C5 застабилизировалось на 350В, что говорит о правильной работе линейного ограничителя-стабилизатора.
Затем подключаем блок напрямую к ЛАТРу и снижаем напряжение. У меня блок работал до напряжения на входе 60В, выдавая стабильное выходное 6.7В. Выход достаточно чистый, пульсации минимальные.
Таким образом диапазон входного напряжения составляет 60-400VAC! Что полностью меня устраивает.
Возможно, будет работать и при более высоком напряжении – не проверял. При более низком, как я понимаю будет зависеть от экземпляра LNK30х, т.к PIXls Designer 9 намекает, что минимальное входное постоянное напряжение должно быть более 70В. Кто сможет более квалифицировано протестировать этот блок – милости прошу!
Микросхемы LNK304-306 позволяют строить блоки с выходным током до 360мА, что недостижимо для источников с гасящим конденсатором, т.к там действует эмпирическая формула – 1мкФ гасящей емкости на 60мА выходного тока. Представьте себе для 360мА пленочный конденсатор 6мкФ*630В!
Да и КПД вместе с потребляемым от сети током впечатляет, даже с учетом возможной погрешности измерения тестером DT-5808
| Iпот, mA | ||
| конденсаторный блок | блок на LNK304 | |
| 100 | 31 | 6.2 |
| 150 | 46 | 4.3 |
| 220 | 68 | 3.2 |
| 250 | 78 | 3 |
Т.е. у блока на LNK304 потребляемая мощность практически неизменна (как и должно быть), а у конденсаторного – растет с повышением напряжения, т.к. излишки гасятся параллельным стабилизатором (на стабилитроне, транзисторе или тиристоре).
Единственным существенным недостатком является отсутствие гальванической развязки, но для устройств, полностью изолированых от корпуса, это непринципиально. А удорожание конструкции за счет приобретения микросхемы и транзистора полностью компенсируется огромным диапазоном входных напряжений, увеличенным выходным током и стабильным выходом.
Теперь понятие “бестрансформаторный источник питания с гасящим конденсатором” для меня больше не существует.
Внимание! Схема не имеет гальванической развязки с сетью, при тестировании и наладке будьте предельно осторожны!
А вот собственно и трехфазный вольтметр, для которого блок питания и собирался (да, такое вот напряжение на даче по фазам):
Архитектура ЭВМ
Компоненты ПК
Интерфейсы
Мини блог
Самое читаемое
Блок питания ATX
Всем привет! Сегодня речь пойдёт о блоке питания форм-фактора ATX.
К выбору блока питания для персонального компьютера следует подходить с особой ответственностью, поскольку от него во многом зависит стабильность и надежность работы всего компьютера в целом. В этой статье описаны конструктивные особенности БП, характеристики. Читайте далее.
Блок питания является неотъемлемой частью каждого компьютера. От его нормальной работы зависит функционирование всего персонального компьютера (PC). Но при этом блоки питания покупаются редко, поскольку однажды приобретенный хороший блок питания может обеспечить несколько поколений непрерывно развивающихся систем. Учитывая все это к выбору блока питания нужно подходить весьма серьезно.
Блок питания формирует напряжения для питания всех функциональных блоков РС. Он формирует основные напряжения питания для комплектующих компьютера: +12 В, +5 В и 3,3 В. БП также формирует дополнительные напряжения: -12 В и -5 В и кроме того он осуществляет гальваническую развязку с сетью 220 В.
На рисунке (Рис. 1) представлена внутренняя конструкция и расположение элементов типичного бока питания с активным корректором коэффициента мощности (АККМ) «GlacialPower GP-AL650AA». На плате БП цифрами обозначены следующие элементы:
- Модуль управления защитой по току;
- Дроссель фильтра выходных напряжений +12 В и +5 В, который выполняет также функцию групповой стабилизации;
- Дроссель фильтра +3,3 В;
- Радиатор с выпрямительными диодами выходных напряжений;
- Трансформатор основного преобразователя;
- Трансформатор управления ключами основного преобразователя;
- Трансформатор, формирующий дежурное напряжение вспомогательного преобразователя;
- Контроллер коррекции коэффициента мощности (отдельная плата);
- Радиатор с диодами и ключами основного преобразователя;
- Фильтр сетевого напряжения;
- Дроссель ККМ;
- Конденсатор фильтра сетевого напряжения.
Такая конструкция блоков питания ATX является наиболее распространенной и используется в БП различной мощности.
На задней стенке БП находится разъем для подключения сетевого кабеля и выключатель сети. В некоторых моделях блоков питания выключатель сети не устанавливается. Иногда, в устаревших моделях, можно встретить рядом с сетевым разъемом разъем для подключения сетевого кабеля монитора. В современных блоках питания, на задней стенке, производители могут устанавливать следующие разъемы (Рис.2):
- Индикатор напряжения сети;
- Кнопка управления вентилятором;
- Кнопка ручного переключения входного напряжения (110 В / 220 В);
- USB-порты встроенные в БП.
В современных моделях редко устанавливают вытяжной вентилятор на задней стенке. Теперь он размещается в верхней части БП. Это позволяет установить большой и тихий элемент охлаждения. На блоках питания повышенной мощности, как например, у блока питания Chieftec CFT-1000G-DF, устанавливают два вентилятора сверху и на задней крышке (Рис. 3).
Из передней стенки блока питания выходит жгут проводов с разъемами для подключения материнской платы, жестких дисков, видеокарты и других комплектующих системного блока.
В БП модульного типа вместо жгута проводов на передней стенке располагаются разъемы для подключения проводов с разными выходными разъемами. Это позволяет упорядочить питающие провода в системном блоке и подключать только те, которые необходимы для данной комплектации (Рис. 9 и 10).
Распиновка выходных разъемов БП подключаемых к материнской плате и другим устройствам показана на рисунке (Рис. 4).
Нужно отметит, что цвета проводов унифицированы, и каждый цвет соответствует своему напряжению:
- Черный — общая шина (Ground);
- Желтый — +12 В;
- Красный — +5 В;
- Оранжевый — +3,3 В.
На рисунке (Рис. 5) изображены выходные разъемы блоков питания АТХ.
Не изображены на рисунках (Рис. 4 и 5) разъемы дополнительного питания видеокарт, их распиновка и внешний вид подобна распиновке для разъемов дополнительного питания процессора.
Современные блоки питания для РС имеют большое число электрических параметров, часть из них не отмечены в «паспортных технических характеристиках», поскольку считаются не важными для пользователя. Основные параметры указывается производителем на наклейке расположенной на боковой стенке.
Мощность блока питания
Мощность — это один из главных параметров БП. Она характеризует, сколько электрической энергии может отдать блок питания подключенным к нему устройствам (жесткий диск, материнская плата с процессором, видео карта и др.). Для выбора БП, казалось бы, достаточно просуммировать потребление всех комплектующих и выбрать блок питания с небольшим запасом по мощности.
Но все обстоит намного сложнее. Блок питания формирует различные напряжения, распределенные по разным шинам питания (12 В, 5 В, 3,3 В и другие), каждая шина (линия), напряжения рассчитана на определенную мощность. Можно было бы подумать, что эти мощности фиксированы, и их сумма равна выходной мощности самого блока питания. Но в блоках питания АТХ установлен один трансформатор для формирования всех этих напряжений, поэтому мощность на линиях плавает. При увеличении нагрузки на одной из линий мощность на остальных линиях уменьшается и наоборот.
Производитель в паспорте указывает максимальную мощность каждой линии, просуммировав их, получится мощность больше, чем может реально обеспечить блок питания. Таким образом, часто, производитель заявляют номинальную мощность, которую БП обеспечить не в состоянии, тем самым вводя пользователей в заблуждение. Установленный в системном блоке БП недостаточной мощности взывает «зависания», произвольные перезагрузки, щелканье и треск головок жесткого диска, и другую некорректную работу устройств.
Допустимый максимальный ток линии
Это один из важнейших параметров блока питания, но пользователи при приобретении БП зачастую не обращают на этот параметр должного внимания. Но ведь при превышении тока линии блок питания выключается (срабатывает защита). Понадобится отключать его от сети 220 В и ждать около минуты. Необходимо учитывать, что самые мощные потребители — процессор и видеокарта питаются от 12 В линии, поэтому при покупке БП нужно обращать внимание на значения токов указанным для нее. Для снижения токовой нагрузки на разъемы питания линию 12 В делят на две параллельных (иногда и больше) и обозначают как +12V1 и +12V2. При подсчете, токи на параллельных линиях суммируются.
У качественных БП информация о максимальных токовых нагрузках по линиям указывается на боковой наклейке в виде таблички (Рис. 6).
Если такая информация не указана, то можно усомниться в качестве этого БП и соответствии реальной и заявленной мощности.
Диапазон рабочих напряжений
Под этой характеристикой подразумевается диапазон сетевого напряжения, при котором БП будет сохранять работоспособность. Современные блоки питания выпускаются с АККМ (активный корректор коэффициента мощности), который позволяет использовать диапазон входных напряжений от 110 В до 230 В. Но выпускаются и недорогие БП с малым рабочим диапазоном напряжений от 220 В до 240 В (например, FPS FPS400-60THN-P). В результате такой блок питания будет выключаться при падении напряжения сети, что для наших электросетей не редкость, а то и совсем не запустится.
Внутреннее сопротивление
Этот параметр характеризует потери внутри БП при протекании тока. Внутреннее сопротивление подразделяется на два типа: по переменному току (дифференциальное) и по постоянному току.
Сопротивление по постоянному току складывается из сопротивлений всех компонентов, из которых состоит блок питания: проводов, обмоток трансформатора, сопротивления дорожек печатной платы и др. Из-за наличия этого паразитного сопротивления по мере загрузки БП напряжение на линиях будет падать. Это видно на кросс-нагрузочных характеристиках (Рис. 7). Для уменьшения влияния этого сопротивления в схему блока питания включены различные схемы стабилизации.
Дифференциальное внутреннее сопротивление (электрический импеданс) характеризует потери БП при протекании переменного тока. Для борьбы с ним в схему блока питания включены ФНЧ. Но существенно уменьшить импеданс можно только установкой конденсаторов большой емкости с низким последовательным сопротивлением (ESR) и дросселей намотанных толстым проводом. Реализовать это конструктивно и физически довольно трудно.
Пульсации выходных напряжений
Блок питания персонального компьютера представляет собой преобразователь, который преобразовывает напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. В результате таких преобразований на выходе линий питания присутствуют пульсации (импульсное изменение величины напряжения). Проблема пульсаций заключается в том, что при недостаточной фильтрации они могут исказить рабочие характеристики всей системы, привести к ложному переключению компараторов и неправильному восприятию входной информации. Это, в свою очередь, приводит к ошибкам в работе и отключению устройств РС.
Для борьбы с пульсациями в схему выходных линий напряжения включаются LC фильтры, которые максимально сглаживают пульсации выходных напряжений (Рис. 8).
Стабильность напряжений
В процессе работы БП его выходные напряжения изменяются. Увеличение напряжений вызывает увеличение токов покоя, это в свою очередь вызывает увеличение рассеиваемой мощности и перегреву элементов схем подключенных к БП. Уменьшение выходного напряжения приводит к ухудшению работы схем, а при снижении до определенного уровня элементы РС перестают работать. Особенно чувствительны к падению питающего напряжения жесткие диски компьютера.
Допустимые отклонения напряжений выходных линий для стандарта АТХ не должны превышать ±5% от номинального напряжения линии.
Коэффициент полезного действия
КПД блока питания определяет, сколько полезной энергии получит системный блок из потребленной энергии блоком питания. Большинство современных блоков питания имеют КПД не хуже 80%. А блоки питания, снабженные ПККМ (PPFC) и АККМ (APFC) существенно превышают этот показатель.
Коэффициент мощности
Это параметр, на который следует обращать внимание при выборе блока питания, он непосредственно влияет на КПД блока питания. При малом коэффициенте мощности КПД тоже будет небольшой. Поэтому в схемы современных БП встроены автоматические корректоры коэффициента мощности (АККМ), которые значительно улучшают характеристики БП.
Первым делом при выборе блока питания следует определиться с его мощностью. Для определения необходимой мощности достаточно просуммировать мощность всех комплектующих системного блока. Но иногда отдельные видеокарты предъявляют особые требования по величине тока на линии +12. В, с этим необходимо считаться при выборе. Обычно для среднего системного блока оснащенного одной видеокартой достаточно мощности БП 500-600 Ватт.
При выборе модели и фирмы производителя следует ознакомиться с отзывами и обзорами на эту модель БП. Желательно выбирать блок питания со схемой АККМ (APFC). Другими словами нужно выбирать блок питания, что бы он был мощным, тихим, качественно выполненным и соответствовал заявленным характеристикам. Экономить десяток-другой долларов при этом не стоит. Необходимо помнить, что от работы блока питания во многом зависит стабильность, долговечность и надежность работы всего компьютера в целом .
Компьютерный эксперт (4 DVD диска)
Стань продвинутым пользователем
Блок питания компьютера, его разъёмы и напряжения
Блок питания – “сердце” электроснабжения компонентов компьютера. Он преобразует входящее переменное напряжение в постоянный ток напряжением +3,3 В, +5 В, +12 В.
1. Блок питания компьютера, его разъёмы и напряжения
2. Расчёт мощности
3. Основные характеристики блоков питания
Блок питания компьютера, его разъёмы и напряжения
Компоненты компьютера используют следующие напряжения:
+3,3В – Материнская плата, модули памяти, платы PCI, AGP, PCI-E, контроллеры
+5В – Дисковые накопители, приводы, PCI, AGP, ISA
+12В – Приводы, карты AGP, PCI-E
Как видно одни и те же компоненты могут использовать разные напряжения.
Функция PS_ON позволяет выключить и включить блок питания программно. Эта функция выключает блок питания когда операционная система завершит свою работу.
Сигнал Power_Good. При включении компьютера блок питания проводит самотестирование. И если выходные напряжения питания в норме он посылает сигнал на материнскую плату в чип управления питанием процессора. Если он не получит такой сигнал, система не запустится.
Бывает так что на блоке питания не хватает необходимых разъёмов. Выйти из положения можно, применяя различные переходники и разветвители:
Расчёт мощности
Мощности на выходе по каждой линии обычно написаны на наклейке блока питания и расчитываются по формуле:
Ватты (Вт) = Вольты (В) х Амперы (А)
Тем самым сложив все мощности по каждой линии получим общую мощность блока питания.
Однако, часто выходная мощность не соответствует заявленной. Лучше брать немного более мощный блок, чтобы компенсировать возможную нехватку мощности.
Предпочтение думаю лучше отдавать проверенным брендам, однако не факт что блок будет качественным. Проверить можно только одним способом – вскрыть его. Должны быть массивные радиаторы, входные конденсаторы большой ёмкости, качественный трансформатор, должны быть распаяны все детали
Основные характеристики блоков питания
Блоки питания не могут работать без нагрузки. При его проверки, к нему необходимо подключить что-нибудь. Иначе он может сгореть или, при наличии защиты, он отключится.
Запустить его можно закорачиванием двух проводков на основном разъёме ATX, зелёного и любого чёрного.
Добавлено: 5.5.2015 • 
: 31870
Понравилась статья? Оставьте ссылочку 🙂
Возможно Вас заинтересует:
“>
