PC zdroj – architektúra

Autor: Miroslav Nesrsta | 26.2.2016 o 15:49 | Karma článku: 4,16 | Prečítané:  758x

V súčasnosti veľa majiteľov stacionárnych PC prechádza k používaniu notebookov kvôli mobilite, ale aj pre rádovo nižšiu spotrebu el. energie pri používaní počítača v domácnosti.

Nie je preto problém získať vyradený napájací zdroj z PC zadarmo alebo len za symbolickú cenu. Tieto zdroje používajú DC / DC konverziu s pulzne šírkovou moduláciou (PWM Pulse Wide Modulation) a tento typ zdroja sa označuje skratkou SMPS - Switch Mode Power Supply. 

 

Na internete je  možné nájsť veľa opisov architektúry zdrojov typu SMPS a návodov na ich modifikáciu pre potreby laboratórneho zdroja alebo nabíjačky auto akumulátorov. Každý príspevok väčšinou opisuje ako modifikovať PC zdroj pre vytvorenie požadovaného výstupného napätia (13,8 V pre nabíjačku ...), avšak každý opisuje trocha rozdielnu architektúru PC zdroja a tým aj modifikáciu. 
Po analýze veľa takýchto príspevkov a laborovaní na viacerých typoch SMPS PC PSU som sa dopracoval k identifikácii spoločných a obecných princípov týchto zariadení.

Tieto zdroje je možné rozdeľovať podľa 2 základných kritérií
 - typ hlavného použitého integrovaného obvodu (IO) zabezpečujúceho PWM.
Vo väčšine prípadov je použitý obvod TL494 a preto bude v ďalšom opisovaná architektúra PC PSU s týmto typom IO. Táto  bude len málo odlišná ak namiesto TL494 bude použitý kompatibilný IO viacerých typov, napríklad KA7500B.  
 - Oddelenie vysokonapäťovej (VN) časti od časti s nízkym napätím (NN) transformátorom  alebo optočlenmi

Stručný popis vlastností PC zdroja typu SMPS
Zdroje sú dimenzované na 300 W, niekedy až 400W. Majú viaceré výstupné napätia:  +5 V, +12 V, -12 V a  -5 V.  Zaťažiteľnosť výstupov je zvyčajne 20 A (+5 V), 8 A (+12 V) a 0.5 A (-12 V, -5 V). Pri cca 205 W na výstupe a typickej účinnosti 75 % to znamená vyžarovanie len asi 68 W. 
Väčšina zdrojov je riešená na rovnakých princípoch – konfigurácia polomostíka (half-bridge configuration), a tak modifikácia, opísaná v nasledovnom, by mala byť aplikovateľná aj pri zdrojoch od iných výrobcov.
Mechanika: rozmer šírka na stene s AC vstupom a výška skrinky sú normalizované, tretí rozmer je podľa výrobcu zdroja. Osvedčil sa zdroj EuroCase s 12 cm vetrákom na “plafóne” skrinky, krorá potom vnútri poskytuje dostatočný priestor pred montáž svorkovnice a ampérmetra, ako aj malého modulu s obvodmi, ktoré si modifikácia vyžiada. Je veľmi ziadúce aby na plošnom spoji bola iba klasická montáž komponentov, pri zdroji so SMT montážou je veľmi obtiažne vysledovať obvodové zapojenie analyzovanej časti zapojenia.
Farby vodičov pre hlavné vývody +12V, +5V a zem GND sú žltá, červená a čierna.

Zdroj má 3 alebo 2 trafá
T1    hlavné trafo, sekundár s výstupmi pre NN napätia
T2    trafo oddelenia VN od NN pre PWM impulzy generované na NN strane
    Pri oddelení VN a NN optočlenmi trafo T2 nie je
T3        trafo obvodu 5VSB

Zdroje novších PC typu ATX (vypínač na zadnej strane PC pri AC vstupe, 2x10 pin kábel ku základnej doske), majú tri osobitné vývody
    vývod          farba vodiča         opis   
    5VSB           purpur                 5V aj v režime PC Stand By
    PS_ON         zelená                 spojí sa na zem pre štart PC zdroja
    PWR_OK       biela                    indikácia chodu zdroja

Vstupná časť s konvertorom AC / DC má na výstupe kondenzátory, ktoré sa nabíjajú na vrcholovú hodnotu AC sínusového striedavého napätia, na jeho 1.414 násobok, t.j. cca 340 V.  

Hlavná časť meniča DC / DC s reguláciou    
Po pripojení na sieťové napätie, zdroj nakrátko pracuje ako voľne bežiaci oscilátor. Takýto nábeh je spôsobený spätnoväzbovým vinutím na transformátore T2. Akonáhle nabehne pomocné napätie Uaux, obvod TL494 zabezpečujúci PWM, preberá riadicu funkciu  a synchronizuje oscilácie. 
Zosiľňovač chyby / Error Amplifier vnútri TL494 porovnáva napätie na výstupe +5 V (aktuálnu hodnotu), s referenčným napätím (hodnota nastavenia). Kalkuluje analógovú riadiacu premennú  a nastavuje PWM modulátor. Modulátor posiela meniace sa pulzy na riadiace tranzistory Q5 a Q6. Dĺžka pulzu je inverzne proporcionálna nastaveniu premennej riadenia. Zvýšená záťaž na výstupe +5 V vyvoláva širšie pulzy. Menšia záťaž spôsobuje naopak užšie pulzy. Keďže  je tu konečná hodnota minimálnej šírky pulzu, je potrebná minimálna záťaž. Bez tejto sa môže zdroj poškodiť. 
Frekvencia oscilácie je u väčšiny zdrojov cca  33 kHz. Je definovaná  hodnotami kondenzátora a odporu, pripojených na piny 5 a 6 obvodu TL494. Na obrázku sú naznačené časové priebehy PWM a to na bázach tranzistorov Q1 a Q2 ako aj výsledný priebeh na výstupe k trafu T1. 

 

 

Nadmerný prúd na sekundárnej strane spôsobí zvýšenie napätia na pine 1 prvého zosiľňovača chyby / Error Amplifier EA a toto presiahne hodnotu / treshold prednastavenú na negatívnom vstupe EA1. TL494 nato zastaví generovanie pulzov a prejde do trvalého módu (on / off). Zdroj je chránený proti nadmernému napätiu na výstupe +5 V, alebo skratu na výstupoch -12 V a  -5 V. Zablokovanie je vykonané HI signálom (+5V) na vstupe ochrany, pinu 4.
Ak PC zdroj používa PWM obvod KA7500 elbo IR3MO2, každý z nich je pin-kompatibilný s TL494. Tieto zdroje používajú dvojitý komparátor LM339. Niektoré zdroje tento IO nemajú a namiesto toho využívajú dva diskréthe tranzistory monitorovania, čo poskytuje rovnakú funkcionalitu.

Opis štruktúry TL494 a významu jeho vývodov
Z vyššie uvedeného popisu aobrázku vyplýva pre IO TL494 význam a funkcia pinov 1,2,3,15,16,8,9,11,10.
Interná logika, prepájajúca vnútri IO tieto piny, zabezpečuje
 - oscilátor, ktorý má pripojené vonkajšie ladiace členy C a R cez piny 5 a 6
 - klopný obvod / Pulse-Steering Flip-Flop PSFF budený z predradeného OR obvodu
 - vývody PSFF invertovaný a neinvertovaný idú cez dvojicu AND obvodov priepustných ak pin 13 dodáva príslušný potenciál
 - výstupy  týchto AND obvodov idú cez NOR obvody zabezpečujúce funkciu NOR v súčinnosti s potenciálom na vstupe obvodu IO PSFF . Výstupy z týchto NOR obvodov potom budia výstupné tranzistory Q1 a Q2 pinov 8 a 11
 - v ceste medzi EA 1,2 a PFSP je zaradený najprv operačný zosilňovač, ktorý prepúšťa pulzy z oscilátora tak, že sa tým realizuje vlastná modulácia PWM
 - nasleduje obvod OR, cez ktorý môže prechádzať aj výstup z DTC

Signál pinu 4 - DTC Dead Time Control / riadenie doby blokády PWM procesu - prechádza cez komparátor tak, aby blokádu vyvolalo až napätie HI úrovne (5V).  

Obvody pinu 1 – pozitívny vstup EA1:
Cez tento pin sa realizuje spätná väzba / feedback, ktorá udrživa stabilné výstupné napätie predovšetkým na výstupe +5V  aj pri meniacej sa záťaži.
K tomuto účelu je na pine 2 vytvorené referenčné napätie 2,5V a to deličom z 5V napätia REF.
Pin 1 je spojený so zemou odporom 4,7 K ktorý je dojustovávaný na presnú hodnotu paraleným odporom veľkej hodnoty, napr. 150K.
Vlastná spätná väzba je realizovaná prívodom z +5V výstupu cez odpor príslušnej hodnoty.
Ak je na pine 1 rovnakých 2,5V ako na pine 2, je event zväčšená záťaž rešpektovaná dodaním väčšej energie do výstupu +5V tak, aby sa toto napätie udržiavalo na nominálnej úrovni.             
 

Pokračovaním problematiky bude na tomto blogu článok “PC zdroj – modifikácie”.

 

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

PLUS

Kupujúci Japonec? Neexistuje, tvrdia stánkari z vianočných trhov

Strávili sme jeden deň so stánkarmi, aby sme zistili ako vidia návštevníkov spoza svojich pultov.

EKONOMIKA

Deti boháčov majú vlastnú sieť, stojí za ňou Slovák

Byť bohatým je nuda, keď vás nikto nevidí.


Už ste čítali?