Ремонт БП FSP Epsilon 1010, принцип работы APFC / Хабр
Идея написать родилась после очередной непредвиденной поломки блока питания, чтобы поделиться опытом да и самому было где почитать в следующий раз, если попадётся на ремонт подобный блок питания (далее — БП) или понадобится вспомнить схему.Сразу скажу, статья рассчитана на простого пользователя ПК, хотя можно было и углубиться в академические подробности.
Несмотря на то, что схемы не мои, я даю описание исключительно «от себя», которое не претендует не единственно правильное, а имеет целью объяснить «на пальцах» работу столь необходимого устройства, как БП компьютера.
Необходимость вникнуть в работу APFC у меня появилась в 2005 году, когда я имел проблему с произвольной перезагрузкой компьютера. Комп я купил на «мыльной» фирмочке не вникая особо в тонкости. В сервисе не помогли: на фирме работает, а у меня перезагружается. Я понял, что пришла очередь напрячься самому… Оказалось проблема в домашней сети, которая вечером просаживалась скачками до 160В! Начал искать схему, увеличивать ёмкость входных конденсаторов, слегка попустило, но проблему не решило.
Поделюсь с вами своим опытом и надеюсь, вам будет интересно узнать немного больше про компонент системника — БП, которому несправедливо отводят чуть ли не последнюю роль в работе компьютера.
Блоки питания FSP Epsilon 1010 представляют собой качественные и надёжные устройства, но учитывая проблемы наших сетей и другие случайности, они иногда тоже выходят из строя. Выкидывать такой блок жалко, а ремонт может приблизиться к стоимости нового. Но бывают и мелочи, устранив которые, можно вернуть его к жизни.
Как выглядит FSP Epsilon 1010:
Самое главное — понять принцип работы и разложить блок по косточкам.
Приведу пример фрагментов схем типового блока FSP Epsilon, которые мной нарыты в нете. Схемы составлены вручную очень усидчивым и грамотным человеком, который любезно вложил их для общего доступа:
1. Основная схема:
Рисунок 1:
Ссылка на полный размер: s54.radikal.ru/i144/1208/d8/cbca90320cd9.gif
2. Схема контроллера APFC:
Рисунок 2:
Ссылка на полный размер: i082.radikal.ru/1208/88/0f01a4c58bfc.gif
Модификации блоков питания данной серии отличаются количеством элементов (впаиваются дополнительно в ту же плату), но принцип работы одинаков.
APFC
Итак, что же такое APFC?
PFC — это коррекция коэффициента мощности (англ. power factor correction) PFC) — процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам. Если показать это на трёх пальцах, то это выглядит так:
— запустили блок питания, конденсаторы начали заряжаться — пошёл пик потребления тока совпадающий с пиком синусоиды переменного тока 220В 50Гц (лень рисовать).
Почему совпадающий? А как они будут заряжаться при «0» вольт ближе к оси времени? Никак! Пики будут в каждой полуволне синусоиды, так как перед конденсатором стоит диодный мост.
— нагрузка блока потянула ток и разрядила конденсаторы;
— конденсаторы начали заряжаться и опять появились пики потребления тока на пиках синусоиды.
И того, мы видим «ёжика», которым обросла синусоида, и который вместо постоянного потребления «дёргает» ток короткими скачками в узкие моменты времени. А чего тут страшного, нехай себе дергает, скажете вы. А вот тут и порылась собака Баскервилей: эти пики перегружают электрическую проводку и даже могут привести к пожару при номинально рассчитанном сечении проводов. А если учитывать, что блок в сети не один? Да и работающим в одной сети электронным устройствам вряд ли понравится подобная «попиленная» сеть с помехами. Мало того, при заявленной паспортной мощности БП, вы будете платить за свет больше, так как нагрузкой уже выступают ваши сетевые провода в квартире (офисе).
PPFC — пассивная коррекция коэффициента мощности. Это значит, что перед одним сетевым проводом БП стоит массивный дроссель, задача которого сбить по времени пики потребления тока во время заряда конденсаторов, учитывая нелинейные свойства дросселя (тоесть то, что ток через него отстаёт от приложенного к нему напряжения — вспоминайте школу). Выглядит это так: на максимуме синусоиды должен заряжаться конденсатор и он этого ждёт, но вот незадача — перед ним поставили дроссель. А вот дроссель не совсем обеспокоен тем, что нужно конденсатору — к нему приложили напряжение и возникает ток самоиндукции, который направлен в обратную сторону. Таким образом дроссель препятствует заряду конденсатора на пике входной синусоиды — в сети пик, а конденсатор разряжен. Странно, правда? А не этого ли мы хотели? Теперь синусоида спадает, но дроссель и тут ведёт себя как и большинство людей: (имеем — не ценим, теряем — жалеем) опять возникает ток самоиндукции только уже совпадающий с убывающим током, что и заряжает конденсатор.
Именно так и работает схема PPFC за счет затягивания пиков потребления тока на провалы синусоиды (восходящий и нисходящий участки) с помощью всего лишь одного дросселя. Коэффициент мощности близок к 0,6. Неплохо, но не идеально.
APFC — активная коррекция коэффициента мощности. Это значит с использованием электронных компонентов, для которых требуется питание. В этом блоке питания фактически два блока питания: первый — стабилизатор 410В, второй — обычный классический импульсный блок питания. Это мы рассмотрим ниже.
APFC и принцип работы.
Рисунок 3:
Мы только подошли к принципу работы активной коррекции коэффициента мощности, поэтому определим некоторые моменты для себя сразу. Помимо основного назначения (приближение к линейности потребления тока по времени), APFC решает триединую задачу и имеет особенности:
— блок питания с APFC состоит из двух блоков: первый — стабилизатор 410В (собственно APFC), второй — обычный классический импульсный блок питания.
— схема APFC обеспечивает коэффициент мощности около 0,9. Это то, к чему мы стремимся — к «1».
— схема APFC работает на частоте около 200KHz. Согласитесь, дёрнуть ток 200000 раз в секунду по отношению к 50 Гц — это практически в каждый момент времени, тоесть линейно.
— схема APFC обеспечивает стабильное постоянное напряжение на выходе около 410B и работает от 110 до 250В (на практике от 40В). Это значит, что промышленная сеть практически не влияет на работу внутренних стабилизаторов.
Работа схемы:
Принцип работы APFC основан на накоплении энергии в дросселе и последующей отдаче её в нагрузку.
При подаче питания через дроссель, его ток отстаёт от напряжения. При снятии напряжения возникает явление самоиндукции. Вот его и кушает блок питания, а так как напряжение самоиндукции может приближаться у двойному приложенному — вот вам и работа от 110В! Задача схемы APFC — с заданной точностью дозировать ток через дроссель, чтобы на выходе всегда было напряжение 410В независимо от нагрузки и входного напряжения.
На рисунке 3 мы видим DC — источник постоянного напряжения после моста (не стабилизированный), накопительный дроссель L1, транзисторный ключ SW1, которым управляет компаратор и ШИМ. Схема сделана довольно смело на первый взгляд, так как ключ фактически делает короткое замыкание в розетке в момент открытия, но мы его простим, учитывая что замыкание происходит на микросекунды с частотой 200000 раз в секунду. А вот при неисправностях схемы управления ключом вы обязательно услышите и даже понюхаете, а может и увидите как сгорят силовые ключи в подобной схеме.
1. Транзистор SW1 открыт, ток в нагрузку течёт как и раньше через дроссель от “+ DC” — «L1» — «SW2» — «RL» к “-DC”. Но дроссель сопротивляется движению тока (самоиндукция начало), при этом идёт накопление энергии в дросселе L1 — на нём растёт напряжение практически до напряжения DC, так как это короткое замыкание (правда на долю времени (пока всё исправно). Диод SW2 предотвращает разряд конденсатора C1 в момент открытия транзистора.
2. Транзистор SW1 закрылся… напряжение на нагрузке будет равно сумме напряжений источника DC1 и дросселя L1, который только что некисло приложился к источнику и выбросил ток самоиндукции с обратной полярностью. Магнитное поле дросселя пропадая пересечёт его, индуцируя на нём ЭДС самоиндукции противоположной полярности. Теперь ток самоиндукции имеет одно направление с пропадающим током источника (самоиндукция конец). Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Так вот, в момент самоиндукции после закрытия транзистора и получается наша добавочка до 410В из-за добавления энергии от дросселя. Почему добавочка? Вспоминайте школу, сколько будет на выходе моста с конденсатором, если на входе 220в? Правильно, 220В умножить на корень из двух (1,41421356) = 311В. Вот это было бы без работы схемы APFC. Оно так и есть в точке, где мы ждём 410В, пока работает только дежурка +5В и не запущен сам блок. Сейчас нет смысла гонять APFC, дежурке и так хватит её 2 Ампера.
Всё это строго контролируется схемой управления с помощью обратной связи от точки 410В. Регулируется уровень самоиндукции временем открытия транзисторов, тоесть временем накопления энергии L1 — это широтно-импульсная стабилизация. Задача APFC — стабильно держать 410В на выходе при изменении внешних факторов сети и нагрузки.
Вот и получается, что в блоке питания с APFC — два блока питания: стабилизатор 410В и сам классический блок питания.
Сбивание зависимости пиков потребления тока от пиков синусоиды обеспечивается перенесением этих пиков на частоту работы схемы APFC — 200000 раз в секунду, что приближается к линейному потреблению тока в каждый момент времени синусоиды 50Гц 220В. Что и требовалось доказать.
Достоинства APFC:
— коэффициент мощности около 0,9;
— работа от любой капризной сети 110 — 250В, в том числе нестабильной сельской;
— помехоустойчивость:
— высокий коэффициент стабилизации выходных напряжений за счёт стабильного входного 410В;
— низкий коэффициент пульсаций выходных напряжений;
— малые размеры фильтров, так как частота около 200КГц.
— высокий общий КПД блока.
— малые помехи отдаваемые в промышленную сеть;
— высокий экономический эффект в оплате за свет;
— разгружается электрическая проводка;
— на предприятиях и в организациях телекоммуникаций, имеющих станционные батареи 60В, для питания критических серверов можно обойтись вообще без UPS — просто включите блок в цепь гарантированного питания 60В ничего не меняя и не соблюдая полярность (которой нет). Это позволит уйти от тех несчастных 15 минут работы от UPS до 10 часов от станционных батарей, чтобы не легла вся система управления в случае незапуска дизеля. А на это многие не обращают внимание или об этом не думали, пока дизель не обидится как-нибудь разок… Всё оборудование будет продолжать работать, а управлять будет нечем, так как компы поотрубаются через 15 минут. Изготовителем представлен диапазон работы 90 — 265В по причине отсутствия такого стандарта питания как переменные 60В, но практический предел работы был получен на величине 40В, ниже проверять небыло смысла.
Перечитайте пункт внимательно ещё раз и оцените возможности своих бесперебойников для критических серверов!
Недостатки APFC:
— цена;
— сложность в диагностике и ремонте;
— дорогие детали (транзисторы — около 5$ за шт., а их там до 5шт. иногда), зачастую стоимость ремонта себя не оправдывает;
— проблемы совместной работы с бесперебойниками (UPS) за счёт большого пускового тока. Выбирать UPS нужно с двукратным запасом мощности.
А теперь рассмотрим схему блока питания FSP Epsilon 1010 на рис. 1, 2.
У FSP Epsilon 1010 силовая часть APFC представлена тремя транзисторами HGTG20N60C3 с током 45А и напряжением 600В, стоящими в параллель: www.fairchildsemi.com/ds/HG/HGT1S20N60C3S.pdf
На нашей типовой схеме их 2 Q10, Q11, но это не меняет сути. Наш блок просто мощнее. Сигнал FPC OUT выходит с 12 ноги микросхемы CM6800G на 12 контакт модуля управления на рис №2. Далее через резистор R8 за затворы ключей. Так происходит управление APFC.
Схема управления APFC питается от +15В дежурки через оптопару M5, резистор R82 — 8pin CB (A). Но запускается она только после запуска блока на нагрузку по сигналу PW-ON (зелёный провод 24 контактного разъёма на землю).
Типовые неисправности:
Симптомы:
— перегорает предохранитель с хлопком;
— блок «не дышит» вообще даже после замены предохранителя, что ещё хуже. Значит повреждения грозят обернуться более дорогим ремонтом.
Диагноз: отказ схемы APFC.
Лечение:
В диагностике отказа схемы APFC ошибиться сложно.
Принято считать, что блок с APFC можно запустить и без APFC, если он вышел из строя. И мы так посчитаем, и даже проверим это, особенно когда речь идёт об опасных экспериментах с дорогими транзисторами HGT1S20N60C3S. Выпаиваем транзисторы.
Блок удачно работает, если проблема была только в схеме APFC, но нужно понимать, что блок питания потеряет мощность до 30% и в эксплуатацию его пускать нельзя — только проверка.
Ну а далее уже меняем транзисторы на новые, но включаем блок последовательно через лампу накала 220В 100Вт. Блок нагружаем например на старый HDD. Если лампа горит в пол накала и HDD запустился (трогаем пальцами), на блоке крутится вентилятор — есть вероятность, что на этом ремонт закончен. Запускаем без лампы с уменьшенной в 3 раза величиной предохранителя. И сейчас не сгорел? Ну тогда впаиваем родной F1 и вперёд на часовой тест под эквивалентом нагрузки ватт на 300-500! Горящая полным накалом лампа вам говорит об полном открытии ключевых транзисторов или их заупокойном состоянии, ищем проблему перед ними.
Если на каком-то этапе не повезло, возвращаемся к новой покупке транзисторов, не забыв при этом купить и контроллер CM6800G. Меняем детали, повторяем всё заново. Не забываем визуально осмотреть всю плату!
Симптомы:
— блок запускается через раз или когда постоит 5 минут включенным в сеть;
— у вас ниоткуда появился неисправный HDD;
— вентиляторы крутятся, но система не загружается, BIOS не пикает при запуске;
— вздулись конденсоры на материнской плате, видеокарте;
— система произвольно перезагружается, зависает.
Диагноз: высохли электролитические конденсаторы.
Лечение:
— разобрать блок и визуально найти вздутые конденсаторы;
— лучшее решение поменять все на новые, а не только вздутые;
Незапуск происходит из за высохших конденсаторов дежурки C43, C44, C45, C49;
Отказы компонентов происходят из-за повышения пульсаций в цепи +5В, +12В вследствие высыхания конденсатов фильтров.
Симптомы:
— блок свистит или пищит;
— тон свиста меняется под нагрузкой;
— блок свистит только пока холодный или пока горячий.
Диагноз: Трещины печатной платы или непропай элементов.
Лечение:
— разбираем блок;
— визуально осматриваем печатную плату в местах пайки ключевых транзисторов и дросселей фильтров на предмет овальных трещин на месте пайки;
— если ничего не нашли, то всё равно пропаиваем ножки силовых элементов.
— проверяем и наслаждаемся тишиной.
Остальных неисправностей великое множество, вплоть до внутренних обрывов или межвитковых пробоев, трещин в плате и деталях, и прочее. Особенно досаждают температурные неисправности, когда работает пока не нагреется или не остынет.
Блоки питания других производителей имеют похожий принцип работы, который позволит найти и устранить неисправность.
В конце пара советов по БП:
1. Никогда не выключайте из розетки работающий блок питания с APFC! Сначала припаркуйте систему, а потом вынимайте из розетки или выключайте не удлинителе — иначе доиграетесь…
При пропадании напряжения в момент работы блока тянется дуга и происходит искрение, что приводит к куче гармоник отличных от 50Гц — это раз, напряжение убывает и ключи APFC пытаются удержать стабильное напряжение на выходе, открываясь при этом полностью и на большее время, вызывая ещё больший ток и дугу — это два. Это приводит к пробою открытых транзисторов огромными токами и неконтролируемыми напряжениями гармоник — это три.
Это легко проверить, если есть желание. Лично я уже проверил… теперь написал эту статью и потратил 25$ на ремонт. Вы можете тоже написать свою. Кстати у FSP Epsilon 1010 кнопка на корпусе отключает не провод питания, а систему управления, при этом все силовые элементы остаются под напряжением — будьте осторожны! Поэтому, если уж нужно срочно выключить комп, то делайте это кнопкой питания на блоке — тут всё продумано.
2. Если вы заранее знаете, что будете работать с бесперебойником, то покупайте блок питания с PPFC. Это избавит вас от ненужных проблем.
В рассказе я старался не приводить лишних графиков, схем, формул и технических терминов, чтобы на пятой строке не отпугнуть рядового мучителя своего ПК, более глубокое понимание основ питания которого, продлит ему время безотказной работы.
Сейчас самое время разобрать системник и определить модель вашего блока питания, заодно и пыль с него вытряхнуть. Одну неисправность вы уже предотвратили. Чистым он с благодарностью будет служить дольше.
Смажьте вентилятор, это тоже приветствуется.
Кто дочитал статью до конца — всем спасибо!
Теперь ваш БП в безопасности.
ATX-совместимый БП компьютера для автомобиля
Схема блока питания форм-фактора ATX, при использовании автомобильной АКБ
В данной статье рассмотрена схема самодельного блока питания, способного поддерживать работоспособность современных материнских плат формата ATX и компьютерной периферии при использовании в качестве источника энергии автомобильной аккумуляторной батареи +12В.
В основу конструкции легла схема, опубликованная на сайте carmp3.nm.ru. Однако указанный блок питания мог нормально работать только со старыми M/B формата AT, поскольку вырабатывал лишь напряжения ±12В, +5В и сигнал Power_Good. -5В требуется для некоторых плат на основе чипсетов nVidia (старую ISA-спецификацию не рассматриваю в силу неактуальности), +3.3В для нормальной работы процессора P4. Также был реализован механизм расширенного управления питанием (теперь включать и выключать Б/П можно удаленно, по сигналу с M/B).
Рис.1 Принципиальная схема Б/П
Основу Б/П представляет ШИМ (TL494 или аналоги). Два полевых MOSFET-транзистора коммутируют постоянное напряжение 12В с аккумулятора на импульсный трансформатор TR1. Выходные напряжения снимаются с вторичных обмоток, после выпрямления на полупериодных выпрямителях D3-D12, после чего попадают на общий дроссель DR1 и на индивидуальные L-фильтры DR2-DR6.
Стабилизируется только напряжение +5В, остальные – косвенно. Обратная связь стабилизатора получена от программируемого источника опорного напряжения TL431, выходная часть схемы отвязана от входной оптопарой PC817.
Включение Б/П в бортовую сеть, а также обработку сигнала PS_ON удаленного управления осуществляет схема управления на транзисторах Q1-Q2 и реле RL1. Для уверенного срабатывания реле возможно потребуется подобрать номиналы резисторов R1-R2.
Дежурное напряжение +5В_SB генерирует интегральный стабилизатор КР142ЕН5 (или импортный аналог 7805). Это напряжение есть всегда, пока клемма подключена к аккумулятору, поэтому микросхема обязательно устанавливается на теплоотвод.
Рис.2 Топология печатной платы
Конструктивно Б/П выполнен на односторонней печатной плате размером 85×95мм, вид со стороны деталей приведен на рис.2.
Рис.3 Фотография готовой конструкции
Трансформатор мотается медным одножильным проводом в лаковой изоляции диаметром 1 мм. в 2 нитки, т.е. суммарное сечение составило около 1.5 мм2. Феррит марки М2000НМ1-36 типоразмером 45?27?12. В качестве изоляции обмоток применялась черная тряпичная изолента (лакоткани под рукой, как назло, не оказалось). Порядок намотки следующий: на заизолированный феррит плотно наматывается первичная обмотка двойным проводом в 2 косы по 6 витков в каждой. Конец первой соединяется с началом второй, это соединится с +12В АКБ (точка #3 на рис.2). Свободные концы этой обмотки подсоединятся к транзисторам Q1 и Q2 (точки #1 и #2 на рис.2). Далее наматывается слой изоляции, и укладываются вторичные обмотки. Вторичная обмотка также симметричная, состоит из 2-х половин. Каждая из половин в свою очередь состоит из 2-х отрезков в 8 и 6 витков.
Обе половины соединены свободными концами 2-х 6-ти витковых обмоток (земля или точна #4 на рис.2). От стыков 8-ми и 6-ти витковых обмоток снимаются ±5В, сделаны отводы (точки #7 и #8 на рис.2). Со свободных концов снимаем ±12В (точки #5 и #6 на рис.2). Обмотка для +3.3В мотается поверх, после слоя изоляции. Она состоит из 2?7 витков (две половины, 7 витков в каждой), средней частью соединена с землей (точна #4 на рис.2). Свободные концы – к точкам #9 и #10 на рис.2. Все обмотки, естественно, мотаются в одну сторону. Т.к. пропаять такой пучок толстых проводов весьма сложно, выходы обмоток вместе с гибким монтажным проводом обжимались медными гильзами.
Общий дроссель DR1 берется от компьютерного Б/П, DR2-DR6 – оттуда же. Диоды D3 D8, D11 D12, и D5 D6 – в корпусе TO220 также выпаяны из компьютерного блока питания. Остальные диоды выпрямителя – диоды Шотки на ток 5-7 А. Оптопара также извлечена из того же Б/П, можно заменить на любую аналогичную.
Реле – любое на 12В и коммутируемый ток 20-40 А.
Я взял реле из автомобильной сигнализации. Диоды D1 и D2 также любые, лишь бы подходили по току.
Диоды, полевые транзисторы и интегральный стабилизатор устанавливаются на радиатор через изолирующие прокладки. Величина тока срабатывания защитного предохранителя подбирается экспериментально, исходя из мощности имеющейся нагрузки. После отладки желательно залить всю схему в компаунд или эпоксидную смолу с целью предотвращения коррозии и механических повреждений Б/П.
Обсуждение данной схемы на форуме
Алексей Казаков (Alex K), 2007
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | Линейный регулятор | LM7805 | 1 | КР142ЕН5 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| U2 | ШИМ контроллер | TL494 | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| U3 | Оптопара | PC817 | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| ИС источника опорного напряжения | TL431 | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| Q1 | Биполярный транзистор | КТ817А | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| Q2 | Биполярный транзистор | КТ315А | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| Q3, Q4 | MOSFET-транзистор | IRFZ44N | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| D1, D2, D13 | Диод | Силовой | 3 | На подходящий ток | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| D3-D12 | Диод | Шоттки | 10 | 5-7 Ампер | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R1 | Резистор | 3 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R2 | Резистор | 2. | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R3, R4 | Резистор | 200 Ом | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R5, R6 | Резистор | 16 кОм | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R7 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R8 | Резистор | 390 Ом | 1 | 1 Ватт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R9 | Резистор | 1 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R10, R11 | Резистор | 3. | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R12, R13 | Резистор | 390 Ом | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C1 | Электролитический конденсатор | 500 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C2, C3 | Электролитический конденсатор | 22 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C4, C8-C10 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ 16В | 4 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C5 | Конденсатор | 1 нФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C6 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ 25В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C7 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 25В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C11 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ 16В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C12 | Конденсатор | 22 нФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| RL1 | Реле | 20-40А 12В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| TR1 | Трансформатор | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| DR1 | Катушка индуктивности | 1 | От компьютерного БП | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| DR2-DR6 | Катушка индуктивности | 4 | От компьютерного БП | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| Добавить все | ||||||
4 кОм
9 кОмСкачать список элементов (PDF)
Теги:
- Блок питания
- ATX
Блог Кена Ширриффа: август 2019 г.
Недавно мы восстановили навигационный компьютер Apollo, революционный компьютер, который помог отправиться на Луну и приземлиться на ее поверхность.1 В то время, когда большинство компьютеров заполняли комнаты, управляющий компьютер Apollo (AGC) занимал всего кубический фут. В этом сообщении блога обсуждаются небольшие, но сложные импульсные источники питания, которые помогли сделать AGC компактным. достаточно, чтобы поместиться на борту космического корабля.
Внутри управляющего компьютера Apollo. Блоки питания — это клубки проводов слева.
На фото выше показан компьютер управления Apollo после разделения двух его лотков. Лоток A слева содержит логические и интерфейсные модули, а лоток B справа содержит схемы памяти.
AGC имеет два источника питания в лотке A слева: источник питания +4 В и источник питания +14 В;
блоки питания на фото выглядят как клубок проводов.
Логическая схема, полностью построенная из вентилей НЕ-ИЛИ, питалась от 4 вольт.
Схема интерфейса и память использовали питание 14 вольт.
Космический корабль вырабатывал 28 вольт от топливных элементов, которые объединяли водород и кислород для производства воды и электричество.3 Задача блоков питания состояла в том, чтобы преобразовать 28 вольт космического корабля в 4 и 14 вольт, необходимые для полета. компьютер.2 4-вольтовый блок питания может выдавать около 10 ампер (т. е. 40 Вт), а 14-вольтовый блок питания может выдавать около 5 ампер (т. е. 70 Вт)4. Таким образом, блоки питания примерно эквивалентны зарядным устройствам для ноутбуков (хотя зарядное устройство для ноутбуков рассчитано на более сложные напряжения сети переменного тока).
Модуль питания перед АРУ. Модуль в положении A30 обеспечивает +14 вольт, а (идентичный) модуль в положении A31 обеспечивает +4 вольта.
Блоки питания, как и другие нелогические модули AGC, были созданы с
кордовая конструкция.
В этой технике высокой плотности цилиндрические компоненты вставлялись в отверстия в модуле, проходя через
модуль, их выводы выходят с обеих сторон.
6
В левой части фотографии ниже показаны резисторы, конденсаторы и диоды. Из-за конструкции из корда,
компоненты не видны, за исключением концов их выводов, торчащих из отверстий.
Проводка «точка-точка» соединяла компоненты сварными соединениями.
(Другая сторона модуля аналогична, соединяя другие концы компонентов.)
Блестящий прямоугольник справа — это реле, используемое для отключения питания в режиме ожидания.
Под реле видны концы больших фильтрующих конденсаторов.
Кордовая конструкция в блоке питания. Слева компоненты монтируются вертикально через модуль, с приваренной проводкой с обеих сторон. Металлическая коробка справа — это реле. Под реле видны концы фильтрующих конденсаторов.
Конструкция из кордового дерева использовалась для высокой плотности в приложениях от аэрокосмической до компьютера Cray CDC 6600. Во время полета деревянная проводка AGC была залита (залита) эпоксидной смолой для защиты от вибрации.
Поскольку блоки питания должны были быть легкими и эффективными, они были переключаемыми блоками питания, что было необычно.
технологии для того времени.
Большинство компьютеров в то время использовали линейные источники питания, которые были проще, но слишком неэффективны для АРУ, поскольку избыточное напряжение
превращается в отработанное тепло.5
С другой стороны, импульсный источник питания включает и выключает входное напряжение с высокой частотой.
Это дает желаемое выходное напряжение с очень небольшими потерями энергии.
Источники питания AGC использовали общую коммутационную схему, называемую понижающим преобразователем, которая преобразует входное напряжение в
к более низкому напряжению.
На приведенной ниже схеме показаны основные компоненты: переключатель (транзистор), катушка индуктивности, диод и конденсатор.
Основная идея заключается в том, что если ключ замкнут на большее время, на нагрузке появится больше входного напряжения.
Таким образом, выходное напряжение регулируется временем переключения.
Индуктор накапливает энергию и высвобождает ее, когда переключатель разомкнут, обеспечивая относительно стабильный выходной сигнал.
Понижающий преобразователь быстро переключается между включенным и выключенным состояниями. Когда он включен, ток течет от источника напряжения (В) через переключатель и катушку индуктивности к нагрузке (справа). Когда переключатель разомкнут, энергия, накопленная в катушке индуктивности, продолжает обеспечивать ток нагрузки через диод. (Источник: Кирилл Бутай, CC BY-SA 2.5).
Импульсный источник питания требует сложного механизма управления для включения и выключения в нужное время. В АРУ используется метод, называемый ШИМ (широтно-импульсная модуляция), при котором питание включается и выключается с фиксированной частотой. частота (например, 20 кГц), но изменение доли времени, в течение которого питание включено, для регулирования напряжения.
Схема ниже
показывает источник питания AGC.
(Не беспокойтесь о чтении подробностей; нажмите, чтобы открыть увеличенную версию.)
Сам преобразователь buck (обведен в правом нижнем углу)
имеет ожидаемый переключающий транзистор, диод, катушку индуктивности и конденсаторы.
Однако блок питания имеет гораздо больше компонентов для реализации схемы управления ШИМ.
Схема блока питания AGC. Выделены основные сигналы: вход 28 вольт (красный), выход 4 вольт (оранжевый), опорное напряжение (зеленый), выход компаратора для управления ШИМ (фиолетовый) и выход ШИМ (коричневый). (источник)
Подводя итоги работы блока питания, 28 вольт (красный) подается вверху слева и фильтруется.
Понижающий преобразователь в выходной цепи (справа) снижает напряжение до 4 вольт (оранжевый)
На стороне управления (слева) выходное напряжение используется для обратной связи.
Двухтранзисторный компаратор (внизу слева) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (зеленый), установленным стабилитроном и цепью резисторов.
Выход компаратора (фиолетовый) проходит через схему управления ШИМ, где он изменяет ширину импульсов.
(коричневый) производится схемой ШИМ.
Эти импульсы управляют переключающим транзистором в понижающем преобразователе, замыкая цепь обратной связи.
Тактовый сигнал компьютера, обеспечивающий синхронизацию цепи ШИМ.7
Астронавты взаимодействовали с AGC через дисплей/клавиатуру (DSKY). Кнопка STBY (внизу справа) переводила компьютер в режим ожидания, на что указывал индикатор STBY (слева). Фото с Виртуального АРУ.
Блок питания также включает резервную цепь. При нажатии клавиши STBY на дисплее/клавиатуре (DSKY) реле отключает большую часть питания компьютера. Это снижает потребление энергии, когда компьютер не нужен.8
На приведенной ниже схеме показана верхняя часть модуля питания с маркировкой основных компонентов. Обратите внимание на большие размеры транзисторов, катушек индуктивности и фильтрующих конденсаторов по сравнению с плотно упакованными схема кордвуда слева. Переключающий транзистор для понижающего преобразователя имеет диаметр почти дюйм.
Основные компоненты блока питания AGC. Компоненты понижающего преобразователя намного больше, чем схема управления.
Транзисторы 1960-х едва могли поддерживать импульсные источники питания, так как им требовался
силовой транзистор, способный работать как на высокой скорости, так и
большой ток, что было сложно в то время.
(Современные транзисторы (МОП-транзисторы) дешевы и могут выдерживать гораздо более высокие напряжения, что привело к повсеместному распространению недорогих зарядных устройств для телефонов и ноутбуков, которые
работать от розетки переменного тока.)
Коммутирующему транзистору требовался сильноточный управляющий сигнал, который обеспечивался тремя управляющими транзисторами (в конфигурации «дополнительного Дарлингтона»).
Крупный план транзисторов в блоке питания. Большой транзистор справа — сильноточный переключающий транзистор. Для его управления потребовались три транзистора слева.
Перед включением системы мы тщательно протестировали компоненты AGC.
Для блока питания мы сначала проверили все танталовые конденсаторы
так как танталовые конденсаторы склонны к короткому замыканию.
Мы обнаружили, что все конденсаторы были в хорошем состоянии с правильной емкостью.
Это отличается от современных конденсаторов, которые часто протекают или выходят из строя через несколько лет.
НАСА использовало дорогие аэрокосмические конденсаторы и проверило каждый из них на наличие неисправностей.
сделал большую разницу.
Подключение каждого блока питания для тестирования (ниже) оказалось сложнее, чем вы могли ожидать. В AGC использовались два одинаковых источника питания с напряжением 4 или 14 вольт. Выходное напряжение выбиралось проводкой объединительной платы, которая соединяла разные резисторы в цепи резисторов обратной связи. Мы воспроизвели эти подключения на макетной плате, а также подключение входа и выхода. В качестве нагрузки служили резисторы большой мощности (внизу справа).
Установка, которую мы использовали для тестирования блока питания. Соединения были сделаны к контактам на нижней части модуля. Эти контакты соединяли модуль с остальной частью AGC. На этом изображении вы можете видеть белые провода на боковой стороне модуля, которые соединяют схему в верхней части модуля с контактами в нижней части.
Мы запитали модули AGC напряжением 28 вольт, используя источник питания с ограничением по току, чтобы ограничить потенциальный ущерб.
от любых неисправностей.
Мы провели измерения и обнаружили, что источник питания 4 В выдает 4,09 В, а источник питания 14 В выдает 14,02 В.
Качество питания было хорошим, с пульсациями около 30 мВ.
Мы были несколько удивлены тем, что оба блока питания работали без нареканий спустя 50 лет.
Заключение
Компьютер управления Apollo использовал передовые импульсные источники питания, которые были легкими и эффективными.
В то время как импульсные источники питания были экзотикой в 1960-х, улучшенные полупроводники сделали их дешевыми и
вездесущий.
Теперь переключающий транзистор, высокоточный источник опорного напряжения и управляющая логика могут быть объединены на одном кристалле.
Современный эквивалент источника питания AGC:
крошечный преобразователь доллара 5A за 1,50 доллара на eBay (ниже).
Хотя я бы не доверил этому преобразователю полететь на Луну, не говоря уже о том, что он будет работать через 50 лет, он демонстрирует значительное улучшение мощности переключения.
технология снабжения.
(Я уже писал об истории импульсных источников питания.)
Современный понижающий преобразователь на 5 А компактен и стоит 1,50 доллара США.
Чтобы узнать больше о восстановлении AGC, см. серию видеоуроков AGC от Марка; видео ниже показывает, как мы тестируем блоки питания. Я объявляю о своих последних сообщениях в блоге в Твиттере, так что следите за мной @kenshirriff для будущих статей. У меня также есть RSS-канал. Спасибо Майку Стюарту за фотографии.
Примечания и ссылки
В команду восстановления AGC входят Майк Стюарт (создатель FPGA AGC), Карл Клаунч, Марк Вердьель (CuriousMarc на YouTube) и я. Восстанавливаемый нами AGC принадлежит частному владельцу, который подобрал его на свалке в 1970-е годы спустя НАСА отказалось от него.
Для простоты я называю AGC, которую мы восстанавливаем, «нашей AGC». ↩Первая версия управляющего компьютера «Аполлон» была известна как «Блок I». произвести летную версию Block II. Блок I использовал источники питания +3 В и +13 В, а Блок II использовал источники питания +4 В и +14 В. Блок питания Block I описан здесь, в разделе 4-8.7. Источник питания Block II описан здесь, в разделе 4-5.9. ↩
Энергосистемы командно-служебного модуля и лунного модуля различались. На командно-служебном модуле 28 вольт подавались к различным частям космического корабля с использованием двух шин (Main A и Main B) для резервирования. Основная шина A была подключена к модулю питания A31, а основная шина B была подключена к Модуль питания А30 (схема). Две шины были связаны вместе внутри AGC после прохождения через силовые выпрямители, поэтому любая шина может питать AGC.
(Вы можете вспомнить из Аполлона-13: «Хьюстон, у нас проблема. У нас пониженное напряжение на главной шине B».
Когда кислородный баллон взорвался, напряжение на топливных элементах упало, что привело к срабатыванию сигнализации о низком напряжении.)Лунный модуль использовал батареи для питания 28 вольт, а не топливные элементы. Вместо основной шины A и основной шины B лунный модуль имел шину командира (CDR BUS) и шину пилота лунного модуля (LMP BUS). AGC на лунном модуле был подключен только к шине CDR BUS, поэтому резервирования не было. ↩
Я оценил мощность блоков питания, взглянув на функцию ограничения тока. Блоки питания имеют два токоизмерительных резистора 0,12 Ом. Падение напряжения на этих резисторах откроет транзистор Q13, что уменьшит выход ШИМ и, следовательно, выходное напряжение источника питания. Источник питания 4 В имеет два резистора, включенных параллельно (соединенных внешней проводкой). Предполагая, что транзистор открывается при напряжении 0,6 В, это соответствует току 0,6 В / 0,06 Ом = 10 А. В блоке питания 14 В используется один токоизмерительный резистор, поэтому он будет ограничен примерно 0,6 В / 0,12 Ом = 5 А.
↩Некоторые расчеты показывают проблему с использованием линейного источника питания. Блок питания AGC выдавал 4 вольта при 10 амперах, что составляет 40 ватт. Линейный источник питания будет рассеивать 24 вольта (из 28 вольт) при 10 амперах, то есть 240 ватт. Линейный источник питания был бы эффективен на 14%, теряя 86% энергии. Когда вам нужны резервуары с жидким водородом и кислородом для обеспечения энергией, трата 86% недопустима. Кроме того, утилизация отработанного тепла на космическом корабле затруднена, поэтому дополнительные 240 Вт будут проблемой. ↩
В блоках питания компоненты из кордовой древесины монтируются иначе, чем другие модули из кордовой древесины. Большинство модулей AGC имели компоненты, расположенные с одной стороны на другую, как показано ниже, в то время как компоненты блока питания шли сверху вниз, параллельно шпилькам. Это позволило использовать более длинные компоненты, в частности, большие фильтрующие конденсаторы.
↩
Большинство модулей из кордвуда, таких как этот интерфейсный модуль, имеют компоненты, проходящие через модуль из стороны в сторону.
Одна интересная особенность блока питания заключается в том, что цепь ШИМ управлялась компьютером. осциллятор. Но осциллятор питался от источника питания, что поднимало вопрос о том, как работает система. Запущен. Решение заключалось в том, что схема ШИМ будет самовозбуждаться на частоте 20 кГц, если не будет внешнего тактового сигнала, поэтому она все равно будет выдавать правильное выходное напряжение. Как только он подал питание на модуль генератора, а генератор выдал тактовый сигнал, источник питания синхронизированы с этим тактовым сигналом (50 кГц для питания 4 В и 100 кГц для питания 14 В). ↩
Клавиша режима ожидания (STBY) на DSKY была изменена на PRO (продолжение) в более поздних версиях DSKY, и функциональные возможности были несколько изменены. ↩
Для простоты я называю AGC, которую мы восстанавливаем, «нашей AGC». ↩
Когда кислородный баллон взорвался, напряжение на топливных элементах упало, что привело к срабатыванию сигнализации о низком напряжении.)
↩
pwm — блок питания для начинающих
Задавать вопрос
спросил
Изменено 3 года, 6 месяцев назад
Просмотрено 88 раз
\$\начало группы\$ Я пытаюсь разработать настольный блок питания, которым можно было бы легко управлять с помощью микроконтроллера и который был бы более эффективным, чем простой линейный дизайн (хотя сверхвысокий КПД не является основной целью).
Я придумал следующую схему:
смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab
Я намеренно удалил все значения и имена частей, чтобы обсудить только общую топологию. Вот как я это представляю:
\$V_{set}\$ и \$I_{set}\$ — два аналоговых напряжения, которые устанавливают целевое напряжение и максимальный ток, подаваемый на \$R_{нагрузку}\ $.
OA2 будет пытаться поддерживать напряжение на своем выходе таким, чтобы значение ШИМ было достаточным для поддержания напряжения от \$R_{нагрузка}\$ до \$V_{набор}\$.
OA1 будет повышать свое выходное напряжение всякий раз, когда ток, протекающий через нагрузку, превышает \$I_{set}\$, тем самым активируя Q1 и снижая \$V_{set}\$ до значения, при котором ток не превышается .
Есть ли явные проблемы с этим дизайном? Это работает только в теории, но бесполезно на практике?
Я еще не решил, как будет генерироваться ШИМ-сигнал или каков будет диапазон Iset и Vset, но я решил проверить проект, прежде чем беспокоиться о деталях.
- ШИМ
- схемотехника
- импульсный источник питания
- обратная связь
- стабильность
С добавлением простого фильтра вы получите классический понижающий преобразователь CCM (режим непрерывной проводимости):
смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab
Так что да, в целом идея вполне жизнеспособна, и в Интернете есть тонны литературы об этом типе преобразователя.
Без фильтра это не работает — вы никогда не создадите среднее выходное напряжение, которое можно было бы сравнить с Vset. Возможно, вы предполагали, что нагрузка неявно выполняет какую-то фильтрацию (шунтирующие конденсаторы?), но это сильно зависит от эффективного выходного сопротивления M1 и M2 и снижает общую эффективность.
\$\конечная группа\$ 2Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google Зарегистрироваться через Facebook Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и парольОпубликовать как гость
Электронная почтаОбязательно, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почтаТребуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.
