13,8 В/15 А от блока питания компьютера

DL2YEO, DL2YEO@qrp4u.de

Внимание! Будьте осторожны! Устройство находится под напряжением сети переменного тока 230 В. После выпрямления на некоторых компонентах напряжение постоянного тока превышает 322 В. Все работы на блоке следует производить только в обесточенном (отключенном от сети и разряженном) состоянии. Конденсаторы расположенные на “высокой” стороне блока питания (БП) могут быть заряжены высоким напряжением несколько секунд даже после отключения БП от сети.

  Главными недостатками обычных линейных БП являются большое рассеяние мощности (малый кпд), большие габариты и вес. В поисках альтернативного (другого) решения я решил применить импульсный БП. Эффективность (кпд) таких БП составляет 70…90% при соотношении мощность/объём  0,2 Вт/куб. см.

  Поскольку об изготовлении БП в домашних условиях не могло быть и речи, из-за отсутствии свободного времени, я решил модифицировать импульсный блок питания  от персонального компьютера (ПК). Эти БП выпускаются промышленностью и стоят меньше 50 марок.

Рис. 1. Блок – схема первичного импульсного источника питания.

АС – (сеть) переменный ток, Mains Filter – сетевой фильтр, prim. Rectifier – первичный выпрямитель, Power Switches – мощные переключатели (прерыватели), Output Transformer – выходной трансформатор, sec. Rectifier – вторичный выпрямитель, Smoothing Circuit – сглаживающая схема (фильтр питания), Protection Circuit – схема защиты, Drivers – драйверы (предоконечные каскады), Pulse Width Modulator - ШИМ (широтно-импульсный модулятор), Controller – контроллер (управляющее устройство).

Краткие характеристики БП ПК

 В зависимости от модели блоки питания ПК выпускаются на мощности от 150 до 240 Вт. Для питания материнских плат  типа “Socket 7” БП имеют четыре питающих выходных напряжения “+5 В”, “+12 В”, “-12 В” и “-5 В”. В большинстве своём такие БП имеют схему ключевания (прерывания) по сети (по первичной обмотке трансформатора), выполненную по полумостовой конфигурации. На выходах обычно можно получить токи: 20 А (+5 В), 8 А (+12 В), 0,5 А (-12 В и -5 В). При выходной мощности от БП  205 Вт и типичной эффективности (кпд) 75%, это означает, что рассеивается  (бесполезно) всего лишь 68 Вт. Я приобрёл исправный БП от ПК размерами 140 х 100 х 50 мм и весом 350 г. Большинство БП выполняются по вышеупомянутому принципу (полумостовая конфигурация) и описываемая ниже модификация является приемлемой для БП ПК различных производителей.

Рис. 2. Полумостовая конфигурация мощных переключателей.

Управление

  После включения напряжения сети схема работает некоторое время как свободно генерирующий (несинхронизированный) генератор. Это обусловливается наличием обмотки обратной связи на выходном трансформаторе Т2. Как только вторичное напряжение Uaux  сможет образовать импульс, широтно-импульсный модулятор TL494CN фирмы Texas Instruments “берёт бразды правления в свои руки” и синхронизирует частоту генератора. Усилитель ошибки в TL494 сравнивает  напряжение +5 В на выходе (действующее значение) с опорным (установленным значением), высчитывает аналоговую управляющую переменную (согласно алгоритму π)  и подстраивает соответствующим образом ШИМ (на большее или меньшее соотношение времени “включено-выключено”). См.Рис.6. Модулятор посылает подправленные импульсы на транзисторы драйвера Q5 и Q6. Длительность импульсов обратно пропорциональна  управляющему переменному значению скважности. Увеличение нагрузки на выходе +5 В приводит к расширению импульсов, уменьшение нагрузки – к сужению импульсов. Для обеспечения минимальной длительности импульсов рекомендуется минимальная нагрузка, потребляющая ток 0,1 А. Без этой нагрузки блок питания может выйти из строя. Частота переключения выбирается примерно 33 кГц, что является обычным для БП ПК. Частота определяется резистором и конденсатором, подключаемым к выводам 5 и 6 микросхемы IC1.

Рис. 3. Сетевой фильтр, выпрямитель, мощные переключатели и драйверы. Zus. Netzfilter (нем.) – дополнительный сетевой фильтр.

Следящая схема

 Несколько защитных схем включено в состав оригинального БП. Чрезмерные токи в первичной цепи, появляющиеся в результате больших токов во вторичной приводит к появлению более высокого напряжения на выходе трансформатора Т3. Если это напряжение выше установленного порога, то TL494 моментально перестаёт генерировать циклические импульсы и переходит в прерывистое состояние (включено-выключено: ON/OFF). Схема и нагрузка также защищены против перенапряжения по выходу +5 В или от короткого замыкания по выходам -12 В и -5 В. Выключение производится подачей высокого уровня на вход защиты микросхемы IC1 (вывод 4). Если Вы обнаружите на плате КА7500 или IR3MO2, то любая из них является дополнительным вторичным источником питания к TL494. IC3 является двойным компаратором  типа LM339. Некоторые БП не содержат этой микросхемы, а снабжены следящей схемой на дискретных элементах (транзисторах), выполняющих ту же функцию.

Модификация вторичного выпрямителя.

  Целью переделки является получение всей имеющейся в распоряжении мощности на вторичной обмотке 12 В трансформатора Т1, питание должно быть выпрямленным, стабилизированным, иметь защиту и фильтрацию, обеспечивать единственный выход в 13,8 В постоянного тока при 205 Вт или больше, если это возможно. Достаточно взглянуть на выводы обмотки Т1 +12 В, чтобы понять, что  она намотана  проводом того же диаметра, что и обмотка +5 В.

 Сначала отпаяйте и удалите все детали вторичных цепей Т1, которые предназначены для выпрямления, фильтрации и стабилизации всех четырёх выходных напряжений БП. В этой части платы остаются только три RC-цепочки RC1…RC3 и компоненты, обеспечивающие дополнительное питание Uaux.

Рис. 4. Вторичное выпрямление в исходном БП ПК.

Реконструкция вторичных цепей:

- Разорвите печатные дорожки между RC-цепочками RC1/RC2 и обоими выводами обмотки 5 В вторичной обмотки трансформатора Т1.

- Установите L4, рассчитанный на 12 В при токе 20 А: удалите прежние обмотки L4a, L4b и L4c с кольцевого сердечника (сосчитав витки L4c). Намотайте на кольцо одну единственную обмотку L4* с количеством витков как у старой обмотки L4c, но проводом в 2,5 раза толще: двойным проводом 1 мм  при бифилярной намотке.

- Установите два электролитических конденсатора с малой утечкой ёмкостью 2200 мкФ каждый и резистор утечки сопротивлением 100 Ом в качестве постоянной нагрузки.

- Используйте старые дорожки  +5 В-части БП для монтажа L4*, резистора 100 Ом и двух конденсаторов 2200 мкФ. Поставьте L4* на то же место со стороны расположения деталей, где до того была распаяна обмотка L4b.

- Охлаждение диода D5 в исходной схеме неэффективно. Приемлемое охлаждение можно осуществить установив ребристый радиатор размером 70 х 50 х 30 мм вместо старого, выполненного из пластинки алюминия.

- Укрепите D5 на радиаторе, удлините выводы диода с помощью отрезков провода длиной по 40 мм. При монтаже диода используйте изоляционный материал и термокомпаунд. На некоторых платах D5 обозначен как SKD.

- Расположите ребристый радиатор примерно в 40 мм  над местом, где убраны компоненты вторичных цепей БП, используя пластмассовые стойки и длинные винты с резьбой М3 (опасайтесь замыкания на общий провод).

- Присоедините к анодным  выводам D5a и D5b (к каждому) по RC-цепочке (RC1/RC2), катоды соединяются с противоположной стороной RC-цепочек и L4.

-  Установите две перемычки между выводами обмотки 12 В Т1 и RC-цепочками двумя отрезками толстых проводов. D5 будет питаться от обмотки 12 В.

 Простая структура вторичного выпрямителя была получена после “чистки” и реконструкции.

Рис. 5. Новая вторичная цепь БП для напряжения 13,8 В.

Модификация схем управления и защиты

 Часть схемы БП, ответственная за стабилизацию и “надзор” тоже может быть модернизирована в трёх местах. Установите дополнительные компоненты со стороны установки деталей на плату.

- R24* рассчитан на выходное напряжение 13,8 В. Напряжение на входе (+) усилителя ошибки будет равно 2,5 В после стабилизации переходных процессов в петле управления, т. е., половине опорного напряжения 5 В при выходном напряжении 13,8 В.

R24* = 20 кОм = 2 х 10 кОм  последовательно.

- Установите второй диод 1N4148  и стабилитрон на 8,2 В последовательно с диодом D16.

Uсумм = 8,2 + 2 х 0,7 = 9,6 В

- Упростите делитель напряжения (R36, R42, R45 и D14) в схеме защиты от короткого замыкания. Для этого удалите R36 и D14. Соедините свободный вывод R42 с общим проводом (GND) и замените R45 на резистор с большим сопротивлением, подобрав его так, чтобы БП не отключался при нормальной эксплуатации. Напряжение на R42, при этом, должно быть менее 1,7 В (я выбрал 1,2 В).

R45* = 15 кОм.

 Области рисунка, ограниченные рамками, состоящими из точек, означают, что номиналы данных компонентов изменены или применены дополнительные детали, необходимые для получения выходного напряжения 13,8 В.

Рис. 6. Схемы защиты и стабилизации с включением всех модификаций.

Дальнейшие модификации

 Исследовав модифицированный БП, я пришел к неутешительному заключению: весь принимаемый диапазон от 3,5 до 30 МГц был забит гармониками частоты переключения в БП равной 33 кГц. Стрелка S-метра поднялась и не опускалась ниже S5 на 80 метрах и S2 на  10 – метровом джиапазоне. Поскольку плата БП была заключена в металлическую коробку, то излучение могло проникнуть только через сетевой провод и выводы постоянного напряжения БП. Применение дополнительного стандартного сетевого фильтра и самодельного П-фильтра на выходе резко ограничило помехи.

- Установите дополнительный сетевой фильтр (230 В/2 А) в первичную цепь непосредственно у места входа кабеля в экранирующую коробку БП на задней его стенке.

- Установите рассчитанный на ток в 20 А П-фильтр на выход постоянного тока БП, за выходами +/- на задней его стенке.

- Корпус БП должен состоять из сплошного листа железа для экранировки магнитных полей. Алюминиевые корпуса экранируют только электрические поля.

- Оптимизация входа БП: Замените сглаживающие конденсаторы С1 и С2 220 мкФ конденсаторами ёмкостью 470 мкФ. Это уменьшает фон первичной цепи, что положительно сказывается на стабилизации напряжения во вторичной цепи БП при полной нагрузке.

Проверка БП

1. Эти проверки следует проводить при низком напряжении питания постоянного тока, чтобы не повредить компоненты БП при возможных ошибках. Выход 13,8 В нагружается мощной автомобильной лампой 12 В/ 50 Вт, лабораторный БП 15 В/1А присоединяется к общему проводу (GND)  и  Uaux. Микросхема TL494 получает питающее напряжение и генерирует управляющие импульсы с максимальной длительностью. Проверьте сигналы на Q5 и Q6.

2. Гальванически изолированная от сети первичная цепь БП также подключается к лабораторному источнику питания. Для этой цели соедините коротким кабелем Uaux  и U+ также как и GND  и  U-. Контроллер следит за тем, чтобы получить 13,8 В на выходе при максимальной длительности импульсов. Последнее невозможно осуществить при 15 В постоянного тока и прежнем соотношении чисел витков обмоток трансформатора. Осциллограммы сигналов в контрольных точках TP1 (между эмиттерами транзисторов Q1 и Q2) и TP2 (между катодом D5 и общим проводом GND) должны выглядеть как на Рис. 7.

Рис. 7. Форма сигналов в контрольных точках ТР1 и ТР2.

3. Отсоедините лабораторный БП от первичной цепи платы БП ПК. Вместо этого подключите сетевой трансформатор 48 В/1А к L1 и выводу N, чтобы запитать плату гальванически развязанным переменным напряжением. 60 В постоянного тока в Европе считается неопасным для жизни напряжением. 48 В переменного напряжения вызывает рост напряжения до +6 в.

 Если до сих пор всё нормально, то можно продолжить исследование при напряжении 230 В. Лабораторный БП, 48-вольтовый трансформатор, измерительные приборы и кабели, использованные при настройке, следует удалить. Автомобильная лампа используется и дальше как нагрузка и при проверке на функционирование. Если после подключения БП к сети 230 В, подключенная к выходу БП лампа ярко засветится, выходное напряжение равно 13,8 В и нет шумов фона и помех неизвестного характера, то можно сказать, что первый раунд для Вас прошел успешно. Если же незамеченной при первичной проверке прошла  ошибка, то ключевые транзисторы, а с ними  и печатные дорожки “прикажут долго жить”, издав лёгкий хлопок.

 Для дальнейшего испытания на нагрузочную способность необходимо несколько  мощных резисторов сопротивлением 1 Ом с запасом по рассеиваемой мощности. Ток, протекающий в БП с этой нагрузкой, не должен существенно нагревать выпрямительные диоды и ключевые транзисторы в течение  пяти минутного проверочного периода.

Внимание: температуру проверять только при отключенном от сети БП.

 Охлаждение ключевых транзисторов Q1 и Q2  следует улучшить в любом случае. Заменяя небольшие радиаторы, будьте внимательны, так как они порой являются проводниками в цепях, будучи впаянными в монтажную плату в нескольких точках. Замените недостающие соединения проволочными перемычками. Как видно из фото, я не применял таких мер к дальнейшему повышению мощности БП.

Опыт эксплуатации

 Модифицированная плата была установлена в корпус спикера SP120, который используется с моим трансивером. Сетевой провод подходит к спикеру/БП со стороны задней стенки, на которой также расположены клеммы для подключения нагрузки постоянного тока, сетевой выключатель, дополнительный сетевой фильтр и маленький 12-вольтовый вентилятор. Зелёный светодиод – индикатор включения сети размещён на передней стенке корпуса спикера, для чего в ней просверлено отверстие диаметром 5 мм. Вентилятор я поставил так, на всякий случай, при коротких сеансах работы на передачу CW  и SSB, ни один из компонентов БП не нагревается. БП использовался в течении ряда лет, проблем не возникало.

 Рис. 8. Модернизированный блок питания в корпусе спикера SP-120.

Свободный перевод с английского:  Виктор Беседин (UA9LAQ)  ua9laq@mail.ru

г. Тюмень                октябрь, 2003 г