Стабилизация напряжения в импульсном блоке питания

Ремонт импульсного блока питания

Большинство современной бытовой электронной аппаратуры имеет в своей конструкции самостоятельные или расположенные на отдельной плате электронные модули понижающие и выпрямляющие сетевое напряжение.

Причин здесь несколько, но основными из них являются:

  • колебания сетевого напряжения, на которые не рассчитаны эти понижающе-выпрямительные устройства;
  • несоблюдение правил эксплуатации;
  • подключение нагрузки, на которую не рассчитаны приборы.

Конечно бывает очень обидно, когда необходимо выполнить срочную работу, а модуль питания у компьютера неисправен или во время просмотра любимой телепередачи это устройство выходит из строя.

Не стоит сразу впадать в панику и обращаться в ремонтную мастерскую или спешить в супермаркет электроники за приобретением нового блока. Часто причины неработоспособности настолько тривиальны, что устранить их можно дома, с минимальными затратами финансовых средств и нервов.

Общее описание бытового импульсного питающего устройства

Конечно для того чтобы попытаться не только отремонтировать импульсный блок питания, но и определить его неисправность необходимо иметь базовые знания по электронике и обладать определенными электротехническими навыками.

В составе любого источника питания, будь то встроенный, как в телевизоре или установленный в виде отдельного устройства, как в настольном компьютере, имеются два функциональных блока – высоковольтный и низковольтный.

В высоковольтном боке, сетевое напряжение преобразуется диодным мостом в постоянное, и сглаживается на конденсаторе до уровня 300,0…310,0 вольт. Постоянное, высокое напряжение преобразуется в импульсное, частотой 10,0…100,0 килогерц, что позволяет отказаться от массивных низкочастотных понижающих трансформаторов, заменив их малогабаритными импульсными.

В низковольтном блоке импульсное напряжение понижается до необходимого уровня, выпрямляется, стабилизируется и сглаживается. На выходе этого блока присутствует одно или несколько напряжений, необходимых для питания бытовой техники. Кроме того, в низковольтном блоке смонтированы различные управляющие схемы, позволяющие повысить надежность устройства и обеспечить стабильность выходных параметров.

Визуально, на реальной плате, различить высоковольтную и низковольтную часть достаточно просто. К первой подходят сетевые провода, а от второй отходят питающие.

Импульсный стабилизатор в блоке питания на транзисторах

Диагностирование и простейший ремонт

Человеку, собирающему попытаться отремонтировать блок питания бытовой электронной техники надо быть заранее готовым к тому, что не всякое питающее устройство можно отремонтировать. Сегодня некоторые производители, выпускают электронику, блоки которой подлежат не ремонту, а комплектной замене.

Ни один мастер не возьмется за ремонт такого блока питания, ибо изначально он предназначен для полного демонтажа старого устройства с заменой на новое. Часто подобные электронные приборы просто залиты каким-либо компаундом, что сразу снимает вопрос о его ремонтопригодности.

Как показывает статистика, основные неисправности блока питания вызваны:

  • неисправностью высоковольтной части (40,0%), которые выражаются пробоем (перегоранием) диодного моста и выходом из строя фильтрующего конденсатора;
  • пробоем силового полевого или биполярного транзистора (30,0%), формирующего высокочастотные импульсы и находящегося в высоковольтной части;
  • пробоем диодного моста (15,0%) в низковольтной части;
  • пробоем (выгоранием) обмоток дросселя выходного фильтра.

В остальных случаях диагностирование достаточно сложно и без специальных приборов (осциллограф, цифровой вольтметр) выполнить его не удастся. Поэтому если неисправность блока питания вызвана не четырьмя вышеупомянутыми основными причинами, не стоит заниматься его домашним ремонтом, а сразу вызвать мастера для замены или приобретать новое питающее устройство.

Неисправности высоковольтной части достаточно просто обнаружить. Они диагностируются перегоранием предохранителя и отсутствием напряжения после него. Третий и четвертый случай можно предположить если предохранитель исправен, напряжение на входе низковольтного блока присутствует, а входное отсутствует.

Желательно проверку производить одновременно всех деталей. При выгорании нескольких электронных элементов при замене одного из них на исправный он может выгореть повторно из-за комплексной неисправности, которая не была устранена.

После замены деталей необходимо установить новый предохранитель и включить блок питания. Как правило после этого блок питания начинает работать.

Если предохранитель не перегорел, а напряжение на выходе блока питания отсутствует, то причина неисправности в пробое выпрямительных диодов низковольтной части, перегорании дросселя или выходе электролитических конденсаторов вторичного выпрямительного блока.

Неисправность конденсаторов диагностируется при их вздутии или вытекании из их корпуса жидкости. Диоды необходимо выпаять и проверить тестером аналогично проверке высоковольтной части. Целостность дроссельной обмотки проверяется тестером. Все неисправные детали необходимо заменить.

Если не удается найти нужный дроссель, то некоторые «умельцы» перематывают сгоревший, подобрав провод подходящего диаметра и определив количество витков. Такая работа довольно кропотлива и обычно выполняется только для уникальных блоков питания, найти аналог, которым затруднительно.

Ремонт стандартных устройств

Как уже говорилось, большинство блоков питания современных компьютеров и телевизоров построено по типовой схеме. Они отличаются типоразмерами используемых электронных деталей и выходной мощностью. Методика диагностирования и устранения неполадок для этих устройств идентичны.

Однако качественный ремонт требует соответствующего инструмента, в номенклатуру которого входят:

  • паяльник (желательно с регулируемой мощностью);
  • припой, флюс, спирт или очищенный бензин («Галоша);
  • приспособление для удаление расплавленного припоя (оловоотсос);
  • набор отверток;
  • бокорезы (кусачки);
  • бытовой мультиметр (тестер)
  • пинцет;
  • лампа накаливания на 100,0 ватт (используется в качестве балластной нагрузки).

В принципе простые телевизоры можно ремонтировать без схемы, однако главной сложностью ремонта некоторых моделей является то, что питающее устройство вырабатывает весь спектр напряжений – включая высоковольтное, используемое для развертки кинескопа. Блоки питания бытовых компьютеров выполнены по однотипной схеме. Рассмотрим отдельно методику определения неисправности и ремонта телевизора и десктопа.

Ремонт телевизора

О неисправности телевизионного модуля питания прежде всего свидетельствует отсутствие свечение диода «спящего» режима. Первыми ремонтными операциями являются:

  • проверка на целостность (отсутствие обрыва) питающего шнура напряжения;
  • разборка телевизионного приемника и освобождение электронной платы;
  • осмотр платы блока питания, на наличие внешне неисправных деталей (вздувшихся конденсаторов, пригоревших мест на печатной плате, лопнувших корпусов, обугленной поверхности резисторов);
  • проверка мест пайки, при этом особое внимание уделяется пропайке контактов импульсного трансформатора.

Если визуально установить дефектную деталь не удалось, то необходимо последовательно проверить работоспособность предохранителя, диодов, электролитических конденсаторов и транзисторов. К сожалению, если вышли из строя управляющие микросхемы, установить их неисправность можно только косвенным способом – когда при полностью исправных дискретных элементах работоспособное состояние блока питания не наступает.

Наиболее частыми причинами неработоспособности телевизионных блоков является:

  • обрыв балластных сопротивлений;
  • неработоспособность (короткое замыкание) Высоковольтного фильтрующий конденсатор;
  • неисправность конденсаторов фильтров вторичного напряжения;
  • пробой или перегорание выпрямительных диодов.

Проверку всех этих деталей (кроме выпрямительных диодов) можно произвести, не выпаивая их из платы. Если удалось определить неисправную деталь, то ее заменяют и приступают к проверке выполненного ремонта. Для этого на место предохранителя устанавливают лампу накаливания и включают устройство в сеть.

Здесь возможны несколько вариантов поведения отремонтированного устройства:

  1. Лампочка вспыхивает и притухает, загорается светодиод спящего режима, на экране появляется растр. В этой ситуации в первую очередь замеряют напряжение строчной развёртки. При его завышенной величине необходимо проверить и заменить гарантированно исправными электролитические конденсаторы. Аналогичная ситуация проявляется при неисправности оптронных пар.
  2. Если лампочка вспыхивает и гаснет, светодиод не загорается, растр отсутствует значит не запускается генератор импульсов. В этом случае проверяется уровень напряжения на электролитическом конденсаторе фильтра высоковольтной части. Если оно ниже 280,0…300,0 вольт, то наиболее вероятны следующие неисправности:
    • пробит один из диодов выпрямительного моста;
    • велика утечка конденсатор (конденсатор «состарился»).

    Если напряжение отсутствует необходим повторно проверить целостность цепей питания и всех диодов выпрямителя высокого напряжения.

  3. Если свечение лампочки велико, необходимо тут же отключить модуль питания от сети и заново провести проверку всех электронных деталей.
  4. Вышеперечисленная последовательность и схема проверки позволяют выявить основные неисправности питающего устройства телевизионного приемника.

    Ремонт питающего устройства настольного компьютера

    Сегодня наибольшее распространение для питания настольных (десктопных) конструкторов получили устройства «АТХ» различной мощности. Поводом для их ремонта должно послужить:

    • материнская плата не запускается (компьютер полностью неработоспособен);
    • вентилятор охлаждения самого устройства не вращается;
    • блок многократно «пытается» самозапуститься.

    Перед началом ремонта устройств «АТХ» необходимо собрать нагрузочную схему (рисунок). Ремонт осуществляют в следующей последовательности:

    • устройство вынимается из компьютера и с него снимается кожух;
    • пылесосом и кисточкой удаляется пыль с электронных плат и поверхностей деталей;
    • производится внешний осмотр электронных элементов и печатных плат;
    • подключается нагрузочное устройство.

    Если при включении лампа ярко вспыхивает и продолжает гореть, значит из строя вышел диодный мост в высоковольтной части или фильтрующий конденсатор. Возможно перегорание высоковольтного трансформатора.

    Если предохранитель цел, то причиной неработоспособности может быть:

    • выход из строя транзисторов генератора импульсов;
    • неисправность ШИМ-контроллера.

    В этих случаях проще приобрести новое устройство, которое в зависимости от мощности, стоит от 600…800 рублей.

    При многократном самозапуске устройства причиной неработоспособности обычно является вход из строя стабилизатора опорного напряжения. При этом система компьютера не может пройти режим самотестирования отключает и включает модуль питания.

    Импульсный блок питания 200W Step-Down на микросхеме TL494 — схема принципиальная, печатная плата и описание. Это улучшенная версия импульсного стабилизатора на популярной м/с TL494.

      Входное напряжение 2×18

    30 V AC

  5. Выходное напряжение регулируется с помощью потенциометра в диапазоне 0-25 V DC
  6. Ограничение тока регулируется потенциометром
  7. Для R=0,01 Ом — 5
  8. 20 А
    Для R=0,1 Ом — 0,1

    Большие токи вызывают слишком большие потери мощности на резисторе R, поэтому его сопротивление уменьшаем. Эффективность схемы преобразователя очень хорошая, на 100 Вт радиатор только немного греется. Красный светодиод сообщает о стабилизации тока, а зеленый — о стабилизации по напряжению. Испытания проводились на резистивной нагрузке 10 А. Работает как положено.

    Схема импульсного регулируемого инвертора

    Второй вариант схемы

    Печатная плата — рисунок

    Представленный на схеме стабилизатор установлен на 14,4 вольта и используется как зарядное устройство, поэтому применены конденсаторы вольтажом 16 В. На входе 35 В — на выходе 14,4 В. Трансформатор намотан с запасом витков, так что при желании можно поднять напряжение. Но свыше 38 — это слишком много. Микросхема выдерживает только 44 VDC по даташиту. Рабочая частота преобразователя 100 кГц.

    При уровне мощности 100 Вт радиатор немного греется — 30°C. При 150 Вт случае радиатор достигает температуры около 50°C. Конденсаторы на входе стандартные, а на выходе LOW ESR. Их лучше поставить на более высокое напряжение — на 50 В, хотя тогда они будут в два раза больше и дороже.

    В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

    Конструктивные особенности и принцип работы

    Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

    1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
    2. Импульсный принцип.

    Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

    БП на основе силового трансформатора

    Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

    Упрощенная структурная схема аналогового БП

    Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

    Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

    Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

    Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

    Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

    Импульсные устройства

    Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

    Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

    Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

    • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
    • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
    • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
    • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

    В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

    Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

    Как работает инвертор?

    ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

    • частотно-импульсным;
    • фазо-импульсным;
    • широтно-импульсным.

    На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

    Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

    Алгоритм работы устройства следующий:

    Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

    Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

    Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

    В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

    Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

    Сильные и слабые стороны импульсных источников

    Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

    • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
    • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
    • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
    • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
    • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

    К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

    Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

    Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

    Сфера применения

    Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

    • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
    • внешние блоки питания;
    • электронный балласт для осветительных приборов;
    • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

    Импульсный модуль питания монитора

    Собираем импульсный БП своими руками

    Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

    Принципиальная схема импульсного БП

    Обозначения:

    • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
    • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 – 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
    • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
    • Транзистор VT1 – KT872A.
    • Стабилизатор напряжения D1 – микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
    • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
    • Предохранитель FU1 – 0.25А.

    Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

    Оцените статью
    ТехПорт