Этот блок питания прост для повторения, надежно защищен от случайных коротких замыканий, имеет плавную регулировку выходного напряжения от “нуля”, коллекторы транзисторов крепятся непосредственно к радиатору или корпусу (массе шасси).
Блок состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, сравнивающего устройства на операционном усилителе, который своим током потребления управляет составным транзистором и, узле защиты (рис. 1).
Понижающий трансформатор следует проверить на отдаваемую им мощность. Для этого первичную обмотку включают через предохранитель в сеть 220 вольт, предварительно заизолировав все открытые участки проводки. Переменное напряжение на вторичной обмотке не должно превышать 20 вольт, иначе после выпрямителя постоянное напряжение на электролитическом конденсаторе превысит 30 вольт, предельное для микросхемы операционного усилителя. Параллельно к выводам вторичной обмотки трансформатора подключают вольтметр и кратковременно накоротко замыкают мощным резистором сопротивлением 20 ом. Ток через резистор будет приблизительно 1 ампер. Обычно этого достаточно, но “дело вкуса”. Если показания вольтметра изменились незначительно и такая мощность устраивает, проверка закончена.
В выпрямителе лучше использовать микросборку КЦ-402 или КЦ-405 с любым буквенным индексом. Тогда постоянное напряжение на выходе будет более “красивым” благодаря одинаковым параметрам диодов моста. При потребности в больших токах блока выпрямительный мост собирается из отдельных мощных диодов.
Сравнивающее устройство (см. рис. 1) состоит из операционного усилителя DА1 и измерительного моста, образованного резисторами R5-R7 и стабилитроном VD2. Изменение напряжения на выходе блока питания приводит к разбалансу измерительного моста. Операционный усилитель усиливает напряжение разбаланса, изменяя напряжение на нагрузочном сопротивлении R4, но, так как эта нагрузка постоянна, то меняется ток, проходящий через микросхему. Этот ток, как нельзя лучше, подходит для управления регулирующим транзистором, так как транзистор, в общем, токовый элемент. Идея нестандартного включения операционного усилителя взята из . В сравнивающем устройстве можно применить любой операционный усилитель, особенно, если блок будет использоваться как нерегулируемый стабилизатор напряжения в каком-либо устройстве. Напряжение на выходе блока будет равно удвоенному напряжению стабилизации применяемого стабилитрона (это соотношение можно изменять резисторами R5 и R6). Если понадобится стабилизировать напряжение более 30 вольт, то необходимо установить стабилитрон VD3 (показан пунктиром), который погасит избыточное напряжение на ОУ. При этом сопротивление резистора R7 должно быть рассчитано на номинальный рабочий ток стабилитрона VD2. Операционный усилитель без обратной связи может возбудиться и тогда потребуется ввести конденсатор С4.
Не все операционные усилители подходят для регулируемого варианта блока (см. рис. 2). Нужно проследить, чтобы при уменьшении выходного напряжения до “нуля” потенциометром R7 процесс стабилизации не срывался. Иначе на выходе блока появится полное напряжение от выпрямителя.
Узел защиты состоит из шунта и тринистора 2У107А. Ток, проходящий через шунт, создает на нем пропорциональное падение напряжения. Как только напряжение достигнет определенного уровня, тринистор откроется и разбалансирует уравновешивающий мост R5-R8 (рис. 2). Тогда составной транзистор VT1-VT2 закроется и ток через нагрузку блока прекратится. Для возврата защиты в исходное состояние служит кнопка SB1. Здесь не следует применять тумблер или выключатель: можно забыть включить защиту. При необходимости получения максимального тока можно просто удерживать кнопку нажатой. В качестве шунта использован отрезок манганинового провода. Сечение и длина провода подбираются экспериментально в зависимости от требуемого тока и порога срабатывания защиты. Тринистор 2У107А по чувствительности, быстроте и надежности срабатывания оказался наиболее удачным выбором. Другие тринисторы не дали нужного результата.
Составной транзистор может быть собран из любых транзисторов при соблюдении общих правил, например: VT1-КТ808А, VT2-КТ815А. Подстроечное сопротивление R3 (рис.1) служит для настройки составного транзистора на максимальную отдачу тока. Для этого следует нагрузочным сопротивлением (например, 12 ом) кратковременно замыкать выход блока питания и установить R3 по меньшему отклонению выходного напряжения.
На основе изложенного был собран двуполярный лабораторный блок питания (см. рис. 3 и фото 1-3). Верхний по схеме стабилизатор удобно использовать без защиты. Вместе с нижним стабилизатором можно получить напряжение до 25 вольт, плюс защита от перегрузки. Транзистор VT1 необходимо изолировать от радиатора слюдяной прокладкой.
Детали блока питания собраны на печатной плате размером 80х110 мм. Корпус блока сделан из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 235х100х160 мм. Детали корпуса скреплены между собой оловом. Верхняя крышка корпуса укреплена треугольными косынками. Передняя и задняя стенки скреплены с поддоном прямоугольниками. В них просверлены отверстия и изнутри припаяны гайки М3 для крепления крышки.
Фальшпанель крепится к передней панели с помощью винта и гайки через отверстие, просверленное посередине. На фальшпанель выведены светодиоды: красный - загорается при срабатывании защиты, зеленый - указывает о включенном состоянии блока в сеть. Для вольтметра и миллиамперметра вырезаны отверстия. Миллиамперметр отрегулирован шунтом на полное отклонение стрелки и срабатывание защиты при токе 300 миллиaмпер. Такая защита срабатывает мгновенно и спасла не одно устройство.
На задней панели находятся радиаторы с транзисторами VT1 и VT3, предохранитель, клеммы выходного напряжения, тумблер включения блока питания в сеть, тумблер переключения вольтметра, кнопка “Сброс защиты”.
Литература:
1. Журнал “Радио”, 1986 г., номер 9, стр. 48.
М. Файзуллин (UA9WNH/9), Тюменская обл., г. Нижневартовск
Практически каждый начинающий радиолюбитель стремится вначале своего творчества сконструировать сетевой блок питания, чтобы впоследствии использовать его для питания различных экспериментальных устройств. И конечно, хотелось бы, чтобы этот блок питания "подсказывал" об опасности выхода из строя отдельных узлов при ошибках или неисправностях монтажа.
На сегодняшний день существует множество схем, в том числе и с индикацией короткого замыкания на выходе. Подобным индикатором в большинстве случаев обычно служит лампа накаливания, включенная в разрыв нагрузки. Но подобным включением мы увеличиваем входное сопротивление источника питания или, проще говоря, ограничиваем ток, что в большинстве случаев, конечно, допустимо, но совсем не желательно.
Схема, изображенная на рис.1, не только сигнализирует о коротком замыкании, абсолютно не влияя на выходное сопротивление устройства, но и автоматически отключает нагрузку при закорачивании выхода. Кроме того, светодиод HL1 напоминает, что устройство включено в сеть, a HL2 светится при перегорании плавкого предохранителя FU1, указывая на необходимость его замены.
Электрическая принципиальная схема самодельного блока питания с защитой от коротких замыканий
Рассмотрим работу самодельного блока питания . Переменное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки Т1, выпрямляется диодами VD1...VD4, собранными по мостовой схеме. Конденсатеры С1 и С2 препятствуют проникновению в сети высокочастотных помех, а оксидный конденсатор С3 сглаживает пульсации напряжения, поступающего на вход компенсационного стабилизатора, собранного на VD6, VT2, VT3 и обеспечивающего на выходе стабильное напряжение 9 В.
Напряжение стабилизации можно изменить, подбирая стабилитрон VD6, например, при КС156А оно составит 5 В, при Д814А - 6 В, при ДВ14Б - В В, при ДВ14Г -10 В, при ДВ14Д -12 В. При желании выходное напряжение можно сделать регулируемым, для этого между анодом и катодом VD6 включают переменный резистор сопротивлением 3-5 кОм, а базу VT2 подключают к движку этого резистора.
Рассмотрим работу защитного устройстваблока питания . Узел защиты от КЗ в нагрузке состоит из германиевого п-р-п транзистора VT1, электромагнитного реле К1, резистора R3 и диода VD5. Последний в данном случае выполняет функцию стабистора, поддерживающего на базе VT1 неизменное напряжение около 0,6 - 0,7 В относительно общего.
В обычном режиме работы стабилизатора транзистор узла защиты надежно закрыт, так как напряжение на его базе относительно эмиттера отрицательное. При возникновении короткого замыкания эмиттер VT1, как и эмиттер регулирующего VT3, оказывается соединенным с общим минусовым проводом выпрямителя.
Другими словами, напряжение на его базе относительно эмиттера становится положительным, вследствие чего VT1 открывается, срабатывает К1 и своими контактами отключает нагрузку, светится светодиод HL3. После устранения короткого замыкания напряжение смещения на эмиттерном переходе VT1 снова становится отрицательным и он закрывается, реле К1 обесточивается, подключая нагрузку к выходу стабилизатора.
Детали для изготовления блока питания. Электромагнитное реле любое с возможно меньшим напряжением срабатывания. В любом случае должно соблюдаться одно непременное условие: вторичная обмотка Т1 должна выдавать напряжение, равное сумме напряжений стабилизации и срабатывания реле, т.е. если напряжение стабилизации, как в данном случае 9 В, а U сраб реле 6 В, то на вторичной обмотке должно быть не менее 15 В, но и не превышать допустимое на коллекторе-эмиттере применяемого транзистора. В качестве Т1 на опытном образце автор использовал ТВК-110Л2. Печатная плата устройства изображена на рис.2.
Печатная плата блока питания
Схема подключения транзистора к блоку питания приведена на рис.1, а вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R1 - на рис.2. Работает защита так. Если сопротивление резистора равно нулю (т. е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 0,25 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и практически на нагрузке будет все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки КЗ ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер. Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 0,45...0,5 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжение упадет на полевом транзисторе. Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на "здоровье" деталей блока питания.
Рис. 2
Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R1. Нужно выбирать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки.
Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром - тогда полевой транзистор включают вместо резистора фильтра (такой пример показан на рис. 3).
Поскольку во время КЗ на полевом транзисторе падает почти все выпрямленное напряжение, его можно использовать для световой или звуковой сигнализации. Вот, к примеру, схема включения световой сигнализации - рис.7. Когда с нагрузкой все в порядке, горит светодиод HL2 зеленого цвета. При этом падения напряжения на транзисторе недостаточно для зажигания светодиода HL1. Но стоит появиться КЗ в нагрузке, как светодиод HL2 гаснет, но зато вспыхивает HL1 красного свечения.
Рис. 3
Резистор R2 выбирают в зависимости от нужного ограничения тока КЗ по высказанным выше рекомендациям.
Схема подключения звукового сигнализатора приведена на рис. 4. Его можно подключать либо между стоком и истоком транзистора, либо между стоком и затвором, как светодиод HL1.
При появлении на сигнализаторе достаточного напряжения вступает в действие генератор ЗЧ, выполненный на однопереходном транзисторе VT2, и в головном телефоне BF1 раздается звук.
Однопереходный транзистор может быть КТ117А- КТ117Г, телефон - низкоомный (можно заменить динамической головкой небольшой мощности).
Рис. 4
Остается добавить, что для слаботочных нагрузок в блок питания можно ввести ограничитель тока КЗ на полевом транзисторе КП302В. При выборе транзистора для других блоков следует учитывать его допустимую мощность и напряжение сток - исток.
Конечно, подобную автоматику можно ввести и в стабилизированный блок питания, не имеющий защиты от КЗ в нагрузке.
Когда мы включаем , напряжения на выходе не сразу достигают нужного значения, а примерно через 0.02 секунды, и чтобы исключить подачу пониженного напряжения на компоненты ПК, существует специальный сигнал «power good», также иногда называемый «PWR_OK» или просто «PG», который подаётся, когда напряжения на выходах +12В, +5В и +3.3В достигают диапазона корректных значений. Для подачи этого сигнала выделена специальная линия на ATX разъёме питания, подключаемого к (№8, серый провод).
Ещё одним потребителем этого сигнала является схема защиты от подачи пониженного напряжения (UVP) внутри БП, о которой ещё пойдёт речь – если она будет активна с момента включения на БП, то она просто не даст компьютеру включиться, сразу отключая БП, поскольку напряжения будут заведомо ниже номинальных. Поэтому эта схема включается только с подачей сигнала Power Good.
Этот сигнал подаётся схемой мониторинга или ШИМ-контроллером (широтно-импульсная модуляция, применяемая во всех современных импульсных БП, из-за чего они и получили своё название, английская аббревиатура – PWM, знакомая по современным кулерам – для управления их частотой вращения подаваемый на них ток модулируется подобным образом.)
Диаграмма подачи сигнала Power Good согласно спецификации ATX12V.
VAC - входящее переменное напряжение, PS_ON# - сигнал "power on", который подаётся при нажатии кнопки включения на системном блоке."O/P" - сокращение для "operating point", т.е. рабочее значение. И PWR_OK - это и есть сигнал Power Good. T1 меньше чем 500 мс, T2 находится между 0.1 мс и 20 мс, T3 находится между 100 мс and 500 мс, T4 меньше или равно 10 мс, T5 больше или равно 16 мс и T6 больше или равно 1 мс.
Защита в обоих случаях реализована при помощи одной и той же схемы, мониторящей выходные напряжения +12В, +5В и 3.3В и отключающей БП в случае если одно из них окажется выше (OVP - Over Voltage Protection) или ниже (UVP - Under Voltage Protection) определённого значения, которое также называют «точкой срабатывания». Это основные типы защиты, которые в настоящее время присутствуют фактически во всех , более того, стандарт ATX12V требует наличия OVP.
Некоторую проблему составляет то, что и OVP, и UVP обычно сконфигурированы так, что точки срабатывания находятся слишком далеко от номинального значения напряжения и в случае с OVP это является прямым соответствием стандарту ATX12V:
| Выход | Минимум | Обычно | Максимум |
| +12 V | 13.4 V | 15.0 V | 15.6 V |
| +5 V | 5.74 V | 6.3 V | 7.0 V |
| +3.3 V | 3.76 V | 4.2 V | 4.3 V |
Т.е. можно сделать БП с точкой срабатывания OVP по +12В на 15.6В, или +5В на 7В и он всё ещё будет совместим со стандартом ATX12V.
Такой будет длительное время выдавать, допустим, 15В вместо 12В без срабатывания защиты, что может привести к выходу из строя компонентов ПК.
С другой стороны, стандарт ATX12V чётко оговаривает, что выходные напряжения не должны отклоняться более чем на 5% от номинального значения, но при этом OVP может быть конфигурирована производителем БП на срабатывание при отклонении в 30% по линиям +12В и +3.3В и в 40% - по линии +5В.
Производители выбирают значения точек срабатывания используя ту или иную микросхему мониторинга или ШИМ-контроллера, потому что значения этих точек жёстко заданы спецификациями той или иной конкретной микросхемы.
Как пример возьмём популярную микросхему мониторинга PS223 , которая используется в некоторых , которые до сих присутствуют на рынке. Эта микросхема имеет следующие точки срабатывания для режимов OVP и UVP:
| Выход | Минимум | Обычно | Максимум |
| +12 V | 13.1 V | 13.8 V | 14.5 V |
| +5 V | 5.7 V | 6.1 V | 6.5 V |
| +3.3 V | 3.7 V | 3.9 V | 4.1 V |
| Выход | Минимум | Обычно | Максимум |
| +12 V | 8.5 V | 9.0 V | 9.5 V |
| +5 V | 3.3 V | 3.5 V | 3.7 V |
| +3.3 V | 2.0 V | 2.2 V | 2.4 V |
Другие микросхемы предоставляют другой набор точек срабатывания.
И ещё раз напоминаем вам, насколько далеко от нормальных значений напряжения обычно сконфигурированы OVP и UVP. Для того, чтобы они сработали, блок питания должен оказаться в весьма сложной ситуации. На практике, дешёвые БП, не имеющие кроме OVP/UVP других типов защиты, выходят из строя раньше, чем срабатывает OVP/UVP.
В случае с этой технологией (англоязычная аббревиатура OCP - Over Current Protection) есть один вопрос, который следовало бы рассмотреть более подробно. По международному стандарту IEC 60950-1 в компьютерном оборудовании ни по одному проводнику не должно передаваться более 240 Вольт-ампер, что в случае с постоянным током даёт 240 Ватт. Спецификация ATX12V включает в себя требование о защите от превышения по току во всех цепях. В случае с наиболее нагруженной цепью 12Вольт мы получаем максимально допустимый ток в 20Ампер. Естественно, такое ограничение не позволяет изготовить БП мощностью более 300Ватт, и для того, чтобы его обойти, выходную цепь +12В стали разбивать на две или более линий, каждая из которых имела собственную схему защиты от перегрузки по току. Соответственно, все выводы БП, имеющие +12В контакты, разбиваются на несколько групп по количеству линий, в некоторых случая на них даже наносится цветовая маркировка, чтобы адекватно распределять нагрузку по линиям.
Однако во многих дешёвых БП с заявленными двумя линиями +12В на практике используется только одна схема защиты по току, а все +12В провода внутри подключаются к одному выходу. Для того, чтобы реализовать адекватную работу такой схемы, защита от нагрузки по току срабатывает не при 20А, а при, например, 40А, и ограничение максимального тока по одному проводу достигается тем, что в реальной системе нагрузка в +12В всегда распределена по нескольким потребителям и ещё большему количеству проводов.
Более того, иногда разобраться, используется ли в данном конкретном БП отдельная защита по току для каждой линии +12В можно, только разобрав его и посмотрев на количество и подключение шунтов, используемых для измерения силы тока (в некоторых случаях количество шунтов может превышать количество линий, поскольку для измерения силы тока на одной линии могут использоваться несколько шунтов).
Ещё одним интересным моментом является то, что в отличие от защиты от повышенного/пониженного напряжения допустимый уровень тока регулируется производителем БП, путём подпаивания резисторов того или иного номинала к выходам управляющей микросхемы. А на дешёвых БП, несмотря на требования стандарта ATX12V, эта защита может быть установлена только на линии +3.3В и +5В, либо отсутствовать вовсе.
Как следует из её названия (OTP - Over Temperature Protection), защита от перегрева выключает блок питания, если температура внутри его корпуса достигает определённого значения. Ей оснащены далеко не все блоки питания.
В блоках питания можно увидеть термистор, прикреплённый к радиатору (хотя в некоторых БП он может быть припаян прямо к печатной плате). Этот термистор соединён с цепью управления скоростью вращения вентилятора, он не используется для защиты от перегрева. В БП, оборудованных защитой от перегрева, обычно используется два термистора – один для управления вентилятором, другой, собственно для защиты от перегрева.
Защита от короткого замыкания (SCP - Short Circuit Protection) – вероятно, самая старая из подобных технологий, потому что её очень легко реализовать при помощи пары транзисторов, не задействуя микросхему мониторинга. Эта защита обязательно присутствует в любом БП и отключает его в случае короткого замыкания в любой из выходных цепей, во избежание возможного пожара.
Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания - сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.
Схема защиты блока питания
Силовая часть - мощный полевой транзистор - в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.
Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока
~~~При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным
~~~Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные - IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.
~~~Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.
~~~Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.
Комментарии
Защита от короткого замыкания
, переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.
Второй транзистор тоже не критичен, в моем случае использован высоковольтный биполярный транзистор серии MJE13003, но выбор большой. Ток защиты подбирается исходя из сопротивления шунта — в моем случае 6 резисторов по 0,1Ом параллельно, защита срабатывает при нагрузке 6-7 Ампер. Более точно можно настроить вращением переменного резистора, таким образом я настроил ток срабатывания в районе 5 Ампер.
Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки.
Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.
