апазоне значений индукции. Однако все магнитные материалы характеризуются наличием области насыщения, где изменение тока через первичную обмотку уже не вызывает изменения магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции.

Для регулировки выходных напряжений в импульсных БП в большинстве случаев используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в том, что изменяется длительность импульсов и пауз между ними при неизменной частоте преобразования. Соотношение между длительностью импульса и паузы зависит от уровня выходных напряжений и автоматически изменяется таким образом, чтобы поддерживать выходные напряжения на номинальном уровне.

Выходное напряжение обратноходового преобразователя для режима непрерывных токов определяется по формуле:

RTH

U вых

- • -

где

q

n 1 - q n - коэффициент трансформации, Uex - уровень входного постоянного питающего напряжения,

q - коэффициент заполнения, q=Ti/T (Ti - время открытого состояния транзистора, а Т - период переключения преобразователя).

Примечание. Режимом непрерывных токов называется такой режим работы преобразователя, когда ток, протекающий через выпрямительный диод после запирания транзистора, не успевает уменьшиться до нуля к моменту следующего открывания транзистора.

Для прямоходового преобразователя в режиме непрерывных токов это напряжение определяется по формуле:

U =-вх. вых

n 1 - n + q / n Таким обазом, регулируя q, можно регулировать выходное напряжение. Например, в случае увеличения выходных напряжений увеличивается напряжение обратной связи (ОС), подаваемое на схему управления (функциональный состав схемы управления будет подробно рассмотрен далее). В результате уменьшится длительность управляющих прямоугольных импульсов на выходе этой схемы управления, что приведет к уменьшению времени открытого состояния силового ключа за период. Это значит, что уменьшится время, в течение которого через первичную обмотку импульсного трансформатора ИВТ протекает линейно нарастающий ток. Следовательно, уменьшится время, в течение которого будет действовать импульс ЭДС на вторичных обмотках импульсного трансформатора. Поэтому уменьшатся уровни выходных постоянных напряжений блока, которые получаются как результат выпрямления и сглаживания импульсов ЭДС со вторичных обмоток ИВТ. Таким образом, уровень выходных напряжений

Рис.5. Обобщенная структурная схема двухтактного полумостового ИБП с бестрансформаторным входом.

поддерживается постоянным в состоянии динамического равновесия.

При уменьшении выходных напряжений ИБП, например вследствие увеличения токопотребле-ния в нагрузке, происходящие процессы по регулировке выходных напряжений будут обратными.

Упрощенная схема на рис. 3 иллюстрирует построение типового однотактного ИБП. Однако в ИБП для системных модулей обычно используется двухтактная полумостовая схема, т.к. одно-тактные схемы в диапазоне выходных мощностей свыше 150 Вт оказываются неэффективными из-за резкого увеличения габаритных размеров и массы импульсного трансформатора и ухудшения режимов работы ключевого транзистора.

Поскольку силовая часть подавляющего большинства блоков питания для современных персональных компьютеров построена по двухтактной полумостовой схеме, то в данной книге подробно рассматриваются именно такие варианты ИБП.

Упрощенная структурная схема ИБП, силовая часть которого построена по двухтактной полумостовой схеме, показана на рис. 5.

Рассмотрим принцип работы такой схемы. Первичная обмотка ИВТ включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано конденсаторами C1, C2, а другое - мощными ключевыми транзисторами Q1, Q2. Конденсаторы достаточно большой и одинаковой емкости C1, C2 образуют емкостной делитель, одновременно выполняя функцию сглаживающих емкостей высокочастотного фильтра. Выпрямленное напряжение сети делится на них пополам. Транзисторы управляются по базам от схемы управления через управляющий и развязывающий трансформатор DT таким образом, что переключение их происходит поочередно с регулируемой паузой на нуле. Когда транзистор Q1 достигает состояния насыщения, а транзистор Q2 находится в состоянии отсечки, первичная обмотка трансформатора подключается к заряженному конденсатору C1 достаточно большой емкости. Поэтому через первичную обмотку ИВТ РТ протекает ток разряда этого конденсатора по цепи: (+)С1 -к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4 - (-)С1.

Одновременно с током разряда конденсатора C1 по обмотке протекает от источника питания и ток подзаряда конденсатора C2 по цепи: Uep -

к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4 - C2 - "общий провод" первичной стороны.

Во второй полупериод, когда транзистор Q1 закрывается, а Q2 открывается, конденсаторы меняются ролями, т.е. конденсатор C2 разряжается, а C1 подзаряжается. Ток через первичную обмотку импульсного трансформатора протекает в противоположном предыдущему случаю направлении. Из схемы видно, что к первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается лишь половинное напряжение питания. Поэтому ток, коммутируемый транзистором в данной схеме, должен быть вдвое больше тока, протекающего через транзистор однотактной схемы преобразователя для получения той же мощности в нагрузке. Однако в такой схеме обратное напряжение, приложенное к закрытому транзистору, уменьшается более чем в два раза по сравнению с однотактной схемой преобразователя. Стабильность выходных напряжений поддерживается тем же способом, что и в однотактной схеме. Сигнал обратной связи подается на схему управления с делителя R1, R2 в цепи шины выходного напряжения ИБП. Схема управления, построенная по принципу ШИМ, изменяет длительность управляющих импульсов, подаваемых на базы силовых транзисторов Q1, Q2 таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение к номинальному значению. При этом для обеспечения достаточной величины базового для силовых ключей тока на выходе схемы управления включается согласующий каскад.

Диоды D1 и D2 называются рекуперационными (возвратными). Они создают путь для протекания тока в моменты запирания транзисторов Q1 и Q2. Токи эти протекают под воздействием противо-ЭДС, наводимой в первичной обмотке силового импульсного трансформатора РТ при резком прерывании тока через нее в результате запирания этих транзисторов. Возникновение импульса ЭДС при запирании транзисторов объясняется неизбежным наличием у силового импульсного трансформатора паразитной индуктивности рассеяния,

в которой за время открытого состояния транзистора запасается магнитная энергия. Явление магнитного рассеяния заключается в том, что часть магнитного потока ответвляется от основного магнитного потока и замыкается по различным путям, охватывающим различные группы витков; этот факт отражают введением понятия индуктивности рассеяния Ls. ПротивоЭДС всегда имеет полярность, стремящуюся поддержать ток прежнего направления. Потенциал вывода 1 первичной обмотки силового трансформатора РТ можно считать неизменяющимся. Поэтому на выводе 2 первичной обмотки РТ при запирании транзистора Q1 появляется отрицательный потенциал. Если бы диод D2 отсуствовал, то потенциал коллектора закрытого транзистора Q2 стал бы отрицательным по отношению к его эмиттеру, т.е. транзистор Q2 оказался бы в инверсном режиме, а к коллектору транзистора Q1 оказалось бы приложено напряжение, превышающее напряжение питания. Поэтому такой режим нежелателен. Диод D2 позволяет избежать попадания в этот режим, т.к. открывается и через него замыкается кратковременный ток рекуперации, протекающий по цепи: 1РТ - С4 - C2 - "общий провод" - D2 - 2РТ.

При этом конденсатор C2 подзаряжается, т.е. энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки РТ, частично возвращается (рекуперируется) в источник.

При запирании транзистора Q2 на выводе 2 первичной обмотки РТ появляется положительный потенциал и тогда, если бы диод D1 отсутствовал, в инверсном режиме оказался бы транзистор Q1, а коллектор транзистора Q2 оказался бы под воздействием импульса, превышающего уровень питания. Однако D1 открывается и замыкает цепь тока рекуперации: 2РТ - D1 - шина Uep - C1 -С4 - 1РТ.

При этом подзаряжается конденсатор С1, т.е. избыточная энергия опять возвращается (рекуперируется) в источник.

Схема пуска выполняет ту же функцию, что и в схеме однотактного преобразователя.

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ИБП

Электрическая схема ИБП практически всегда размещается в металлическом кожухе, который служит электромагнитным экраном. Такое оформление является одной из мер по снижению уровня помехообразования. На корпусе ИБП имеются:

•трехштыревой стандартный вход (вилка) для подачи сетевого питания при помощи стандартного трехпроводного шнура с трехконтактной розеткой на подключаемом к иБп конце и двух-штыревой вилкой на конце, подключаемом к сети (вилка имеет третий контакт, позволяющий осуществить защитное зануление);

•трехгнездовой стандартный разъем (розетка) для подстыковки кабеля питания дисплея;

•переключатель 110/220В с визуально определяемым положением движка (промаркирован);

•сетевой выключатель (в некоторых вариантах компьютеров этот переключатель выносится на переднюю панель, и тогда он связан с ИБП специальным длинным шнуром),

Задняя и передняя стенки корпуса имеют щелевые или перфорированные прорези для обеспечения принудительной конвекции при работе встроенного в корпус ИБП вентилятора.

Конструкции корпусов ИБП могут быть различными, что обусловлено разработкой каждого из них для конкретного компьютера, имеющего свою оригинальную конструкцию корпуса.

Однако единым является то, что корпус ИБП, как правило, состоит из двух частей, скрепленных винтами. Поэтому при необходимости вскрытия блока снимается "крышка" и появляется доступ к плате блока. Электрическая схема блока располагается обычно на одной плате, но встречаются и

двухплатные варианты. Например, в ИБП KYP-150W схема образования сигнала PG выделена на специальной вертикально расположенной плате, которая соединяется с основной платой при помощи неразъемного паяного соединения. В ИБП PS-200B на отдельной плате располагаются элементы входного сетевого помехоподавляюще-го фильтра. Могут встречаться и другие варианты размещения элементов схемы.

Как правило, вторичная "земля" ("общий провод") конструктивно ("под винт") имеет электрическое соединение с металлическим корпусом ИБП, а корпус ИБП соединен с шасси компьютера отдельным проводом (также под винт). Однако есть варианты БП, где вторичная "земля" не имеет гальванического контакта с металлическим корпусом, а соединена с ним через конденсатор (плавающая земля). Подробнее особенность такого включения будет рассмотрена в разделе, посвященном борьбе с помехообразованием.

Проводники, с помощью которых выводятся на разъемы выходные напряжения ИБП, объединены в жгут, который пропускается через специальное отверстие в корпусе. Чтобы в процессе эксплуатации не произошло механическое повреждение изоляции проводников об острые края этого отверстия, в него установлен специальный замок-кольцо, охватывающий все проводники. При разборке ИБП этот замок необходимо провернуть до освобождения зажимной дуги. При этом выводные проводники легко освобождаются, и плата после отворачивания крепежных винтов может быть извлечена из корпуса.

СХЕМОТЕХНИКА

СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ИБП НА ОСНОВЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИПА TL494

Внимание: успешно осуществлять ремонт БП сможет только специалист, хорошо усвоивший схемные решения, применяемые при построении ИБП!

Схемотехнически варианты построения ИБП на основе управляющей микросхемы TL494 различаются незначительно. Во всех таких ИБП неизменными остаются:

•способ построения силового каскада ( двухтактная полумостовая схема);

•управляющая микросхема с некоторыми навесными цепями;

•согласующий каскад с развязывающим и управляющим трансформатором;

•способ получения выходных напряжений и их стабилизация.

Важным является и то обстоятельство, что во всех таких ИБП неизменной остается и общая архитектура построения всей схемы ИБП в целом. Этот базовый принцип заключается в том, что на первичной, гальванически не развязанной от сети, стороне располагается только силовой каскад (мощная полумостовая схема инвертора), а вся остальная часть схемы, в том числе и управляющая микросхема TL494, находится на вторичной

стороне, гальванически развязанной от сети. Граница развязки проходит через развязывающие трансформаторы:

•управляющий DT (DRIVE TRANSFORMER);

•силовой импульсный РТ (POWER TRANSFORMER);

•токовый СТ (CURRENT TRANSFORMER);

•пусковой ST (STARTING TRANSFORMER). Последние два из перечисленных могут отсутствовать.

Основное разнообразие приходится на схемотехническую реализацию токовых защит и схем образования сигнала PG. Однако и здесь встречаются повторы. В общем можно сказать, что одни и те же схемные решения применяются в различных сочетаниях в разработках различных зарубежных фирм. Но попадаются и оригинальные схемные решения. Многообразие встречающихся вариантов объясняется естественным стремлением каждой фирмы-разработчика внести что-то свое и выступить в качестве автора изобретения.

Сходство всех ИБП этого семейства позволяет выработать системный подход к обнаружению неисправностей в них. Методика подхода к ремонту будет изложена в последующих разделах этой книги.