МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

технический журнал для специалистов сервисных служб

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Согласующий каскад системного блока питания

Системный блок питания это модуль персонального компьютера, который, без преувеличения, дает наибольшее количество отказов. Кроме того, его неисправность может спровоцировать отказ очень многих компонентов компьютера: системной платы, дисковых накопителей, оперативной памяти и т.п. Именно поэтому, от специалиста, осуществляющего ремонт системного блока питания, требуется высокая квалификация, профессиональная ответственность и наличие аналитических способностей, необходимых для прогнозирования возможного поведения блока питания после ремонта. Все эти черты настоящего профессионала вырабатываются практической работой по ремонту различных блоков питания и теоретической работой по изучению схемотехнических особенностей ремонтируемых изделий.


Согласование по мощности силового каскада и маломощной схемы управления, в системном блоке питания осуществляется с помощью согласующего каскада, который иногда называют управляющим каскадом. Кроме согласования по мощности, этим каскадом обеспечивается еще и гальваническая развязка между первичной частью схемы и вторичной частью, в которой находится управляющая микросхема.

Можно выделить два основных варианта схемотехники согласующего каскада:

- согласующие каскады с транзисторными усилителями (в этом случае ток в первичной обмотке согласующего трансформатора создается внешними ключевыми транзисторами Q3/Q4, которые управляются микросхемой ШИМ-контроллера - рис.1);

Рис. 1

- согласующие каскады без транзисторов (в этом случае в качестве ключей, формирующих ток в первичной обмотке трансформатора, используются выходные транзисторы самой управляющей микросхемы ШИМ-контроллера – рис.2).

Рис. 2

Кроме того, согласующие каскады можно классифицировать еще и по способу управления силовыми транзисторами (Q1 и Q2) блока питания. По этому признаку согласующие каскады можно разделить на:

- каскады с общим управлением силовых транзисторов (в этом случае базы обоих транзисторов подключены к одному общему согласующему трансформатору, имеющему одну первичную обмотку и две вторичных обмотки – см. рис.2);

- каскады с раздельным управлением (в этом случае используется два согласующих трансформатора, каждый из которых формирует ток базы для одного силового транзистора – рис.3).

Рис. 3

Основным элементом согласующего каскада является трансформатор, выполняющий две основные функции:

- усиление по току управляющих сигналов;

- обеспечение гальванической развязки между первичной и вторичной частью блока питания.

Транзисторный согласующий каскад с общим управлением (вариант 1)

Этот вариант согласующего каскада является наиболее популярным при проектировании системных блоков питания. Пример такого каскада представлен на рис.4. Рассмотрим основные принципы его функционирования.

Рис. 4

Ключевыми транзисторами усилителя являются Q3 и Q4, включаемые по схеме с общим эмиттером. Коллекторной нагрузкой этих транзисторов являются обмотки импульсного трансформатора DT. Эти обмотки имеют общую точку, в которую заводится питающее напряжение VCC, номиналом примерно +24В. Эти обмотки образуют первичную обмотку трансформатора. Величина тока первичной обмотки ограничивается резистором R19 на величине примерно 20 мА. Диод D8 является развязывающим диодом, который не позволяет импульсам из первичной обмотки трансформатора проникать на шину питания VCC и создавать не ней помехи. По отношению к питающему напряжению транзисторы Q3 и Q4 включены параллельно.

На базы транзисторов Q3 и Q4 подаются прямоугольные импульсы, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на полпериода (см. рис.5). Эти импульсы формируются ШИМ-контроллером TL494 и под их воздействием транзисторы поочередно открываются, создавая токи в полуобмотках первичной обмотки.

Рис. 5

На эмиттерах транзисторов Q3 и Q4 поддерживается положительное постоянное напряжение, величиной примерно +1.6В. Это напряжение создается цепочкой, состоящей из диодов D10, D11 и электролитического конденсатора C13. Данное напряжение обеспечивает активное запирание транзисторов Q3 и Q4. Дело в том, что при запирании транзистора, на его базу подается напряжение, близкое к нулю. На самом же деле, величина напряжения, соответствующего запиранию транзистора, составляет около 0.6В (это обусловлено наличием падения напряжения на внутреннем выходном транзисторе ШИМ-контроллера), в результате чего закрывание транзистора не может происходить быстро. Напряжение же на эмиттере, равное +1.6В, во время действия запирающего импульса будет создавать на переходе база-эмиттер отрицательное смещение величиной около 1В, что позволит закрыть транзистор. Кроме того, быстрое запирание транзисторов из-за наличия постоянного смещения на их эмиттерах, позволяет формировать крутые фронты импульсов на их коллекторах.

Диоды D7 и D9 являются демпферными диодами, обеспечивающими гашение колебательных процессов, возникающих в первичной обмотке импульсного трансформатора во время переключения Q3 и Q4. Этими диодами осуществляется ограничение всплесков напряжения на коллекторах транзисторов, что предотвращает отказ транзисторов.

 

Транзисторный согласующий каскад с общим управлением (вариант 2)

Другой вариант согласующего каскада с общим управлением представлен на рис.6. Первой особенностью этого каскада является то, что внутренние выходные транзисторы ШИМ-контроллера включены по схеме эмиттерного повторителя – а это является крайне редким схемотехническим решением.

Рис. 6

В этом случае, управляющие импульсы снимаются с конт.9 и конт.10 микросхемы, на которых формируются прямоугольные импульсы, сдвинутые друг относительно друга на полпериода. Эти импульсы далее прикладываются к базам транзисторов Q3 и Q4 через резистивные делители R15/R14 и R17/R16. Базовые цепи C13/R18 и C12/R12 являются форсирующими и способствуют ускорению процесса переключения транзисторов.

Второй особенностью схемы является то, что первичная обмотка согласующего трансформатора не имеет общей точки, к которой прикладывается питающее напряжение – обмотка включена между коллекторами транзисторов Q3 и Q4.

Открывание транзистора Q3 приводит к тому, что через первичную обмотку трансформатора DT протекает ток по цепи: VCC – R11 – конт.2 – конт.1 – Q3 – земля.

Открывание транзистора Q4 приводит к тому, что через первичную обмотку трансформатора DT протекает ток по цепи: VCC – R10 – конт.1 – конт.2 – Q4 – земля.

Транзисторы Q3 и Q4 переключаются поочередно, в результате чего в первичной обмотке трансформатора формируется переменный ток без постоянной составляющей, что улучшает режим работы трансформатора, т.к. отсутствует подмагничивание сердечника. Это уменьшает габариты трансформатора, т.к. в его сердечнике создается переменный магнитный поток.

 

Согласующий каскад без транзисторов

Данный вариант схемотехники представлен на рис.7. В этой схеме импульсный согласующий трансформатор имеет первичную обмотку со средней точкой. А вот коммутация тока в этой обмотке осуществляется напрямую внутренними выходными транзисторами ШИМ-контроллера, т.е. промежуточных усилительных транзисторов в этой схеме нет. Выходные транзисторы ШИМ-контроллера, как обычно, включаются по схеме с общим эмиттером.

Рис. 7

Этот вариант схемотехники характеризуется минимальным количеством внешних компонентов, а, следовательно, простотой и наименьшей стоимостью.

 

Согласующий каскад с раздельным управлением

Данный вариант согласующего каскада представлен на рис.8. В этой схеме имеется два импульсных согласующих трансформатора: DT1 и DT2. Также необходимо отметить, что в представленной схеме отсутствуют внешние усилительные транзисторы, и управление трансформаторами осуществляется внутренними выходными транзисторами ШИМ-контроллера. Первичные полуобмотки трансформаторов DT1 и DT2 являются нагрузкой коллекторов выходных транзисторов микросхемы. Питающее напряжение прикладывается к средним точкам первичной обмотки трансформаторов.

Рис. 8

Вторая полуобмотка трансформаторов совместно с диодами D9 и D10 предназначена для размагничивания сердечника трансформатора, и представляют собой схему рекуперации.

Данный согласующий каскад, по сути, представляет собой два независимых однотактных прямоходовых преобразователя. При этом оба импульсных трансформатора DT1 и DT2 работают с постоянной составляющей тока первичной обмотки, т.е. с вынужденным подмагничиванием. Если не предусмотреть специальных мер по размагничиванию сердечников, то за несколько тактов работы они войдут в магнитное насыщение, что приведет к значительному уменьшению индуктивности первичных обмоток и выходу из строя транзисторов микросхемы ШИМ-контроллера. Для предотвращения этого и предусмотрены диоды D9/D10.

Рассмотрим процессы, протекающие в преобразователе, выполненном на трансформаторе DT1. Когда открывается внутренний транзистор ШИМ–контролера – транзистор VT1, через него и через первичную обмотку трансформатора DT1 протекает ток по цепи: VCC – конт.2 (DT1) – конт.1 (DT1) – к-э VT1 – земля. В результате, на всех обмотках трансформатора возникает ЭДС. В обмотке конт.2-конт.3 ЭДС наводится ЭДС такой полярности, при которой диод D10 оказывается в закрытом состоянии, т.е. на конт.3 наводится «+». Когда транзистор VT1 закрывается, ЭДС во всех обмотках трансформатора DT1 меняет свой знак на противоположный, т.е. меняется знак и ЭДС «нижней» полуобмотки (конт.2 – конт.3). В результате смены полярности диод D10 открывается и через него течет ток, который размагничивает сердечник трансформатора DT1. Этот ток течет по цепи: конт.2 (DT1) – VCC – C9 – земля – D10 – конт.3 (DT1). Этот ток линейно уменьшается, т.е. сердечник размагничивается. На этом этапе осуществляется возврат (рекуперация) избыточной энергии, запасенной в трансформаторе DT1 во время открытого состояния транзистора VT1. Током рекуперации осуществляется подзарядка конденсатора C9.

Согласующий каскад с раздельным управлением является более сложным в реализации и имеет большую стоимость, в результате чего его применение – это достаточно редкое явление в современных системных блоках питания. Для соблюдения симметричности работы силовых транзисторов Q1 и Q2, трансформаторы DT1и DT2 должны иметь практически одинаковые характеристики, что, на самом деле, достаточно сложно реализовать при массовом производстве – это получается слишком дорого. Кроме того, необходимо обратить внимание на то, что трансформаторы DT1 и DT2 работают с недоиспользованием по индукции, а также с постоянной составляющей тока в первичной обмотке. Перемагничивание сердечников происходит по частному циклу, охватывающему только положительные значения индукции. Магнитные потоки в сердечниках трансформаторов из-за этого получаются пульсирующими и содержат постоянную составляющую, что приводит к повышению массы и габаритов трансформаторов.

Все согласующие каскады предназначены для формирования на вторичных обмотках согласующего трансформатора прямоугольных импульсов ЭДС. Этими импульсами осуществляется переключение силовых транзисторов инвертора – Q1и Q2. Транзисторы Q1 и Q2 должны переключаться поочередно, поэтому в сердечнике трансформатора необходимо создавать переменный магнитный поток, в результате чего на вторичных обмотках трансформатора будут формироваться противоположные по знаку импульсы ЭДС. Принцип работы каскада на примере схемы, представленной на рис. 7.

В момент открывания внутреннего транзистора VT1, напряжение VCC оказывается приложенным к обмотке (конт.2 – конт.1) трансформатора, и через эту обмотку начинает протекать ток, нарастающий на начальном этапе по линейному закону. В результате, во всех обмотках трансформатора появляется ЭДС. Так как вторичные обмотки наматываются по-разному, знаки ЭДС в них оказываются противоположными (рис.9).

Рис. 9

В результате, силовой транзистор Q1 открывается, а транзистор Q2 – закрывается. Через определенный момент времени транзистор VT1 ШИИМ-контроллера резко закрывается. Ток через обмотку трансформатора (конт.2 – конт.1) прекращается, в результате чего, ЭДС во всех обмотках, в том числе и вторичных, исчезает. Силовой транзистор Q1 закрывается.

Далее длится «мертвая зона», когда оба выходных транзистора VT1 и VT2 закрыты. Во время «мертвой зоны», в результате, оказываются закрытыми и силовые транзисторы Q1 и Q2. Наличие «мертвой зоны» защищает транзисторы Q1и Q2 от такого явления, как «пробой по стойке», когда оба транзистора оказываются открытыми из-за наличия переходных процессов (т.е. когда один транзистор еще не успел закрыться, а второй уже открылся). Кроме того, регулировкой ширины «мертвой зоны» осуществляется регулировка величины выходных напряжений блока питания.

После окончания «мертвой зоны» открывается транзистор VT2, и напряжение питания прикладывается к второй полуобмотке трансформатора DT (конт.2 – конт.3). Теперь через эту обмотку начинает протекать нарастающий ток и во всех обмотках трансформатора появляется ЭДС. Однако знак ЭДС будет уже противоположным, по отношению к первому такту (рис.10).

Рис. 10

В результате, положительная ЭДС прикладывается к базе транзистора Q2, а отрицательная ЭДС – к базе транзистора Q1. Таким образом, на этом этапе оказывается открытым Q2. Через заданный период времени, VT2 закрывается, ЭДС становится равной 0 и Q2 закрывается. Далее опять формируется «мертвая зона», после чего процессы повторяются.

Таким образом, переменный магнитный поток, создается за счет поочередной коммутации полуобмоток первичной части согласующего трансформатора. Эти полуобмотки должны иметь одинаковое количество витков, должны наматываться в разных направлениях и должны иметь общую точку, в которую подается питающее напряжение.

 

Неисправности согласующего каскада

Отказы в работе согласующего каскада в практике ремонта блоков питания достаточно редкое явление. Это обусловлено тем, что и величина питающего напряжения и токи каскада являются достаточно слабыми. Но, тем не менее, отказы иногда случаются, и здесь можно отметить следующие моменты:

1) Наиболее частой проблемой согласующих каскадов современных блоков питания является выход из строя электролитического конденсатора, создающего положительное смещение на эмиттерах транзисторов каскада (конденсатор С13 на рис.4). Отказ этого конденсатора зачастую легко выявить визуально – он оказывается «вспухшим». Кроме того, при запуске блока питания можно проверить наличие соответствующего напряжения на этом конденсаторе. В случае отсутствия необходимо напряжения рекомендуется просто заменить конденсатор на заведомо исправный. Снижение этого постоянного напряжения, из-за утечки конденсатора, будет приводить к тому, что форма импульсов на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 будет искажаться – фронт будет затягиваться. Здесь стоит отметить, что именно поэтому выход из строя этого конденсатора может явиться причиной выхода из строя силовых транзисторов инвертора (Q1 и Q2).

2) Выход из строя внешних транзисторов каскада (Q3 и Q4) можно выявить их «прозвонкой» с помощью тестера или путем анализа импульсных сигналов на базах и коллекторах с помощью осциллографа.

3) Выход из строя выходных транзисторов ШИМ-контроллера случается чаще всего в тех случаях, когда выходной каскад выполнен по бестранзисторной схеме. Проверка этих транзисторов также может быть осуществлена тестером или осциллографом (по наличию выходных импульсов).

Диагностику согласующего каскада очень удобно осуществлять осциллографом либо при включении блока питания, либо при запуске ШИМ-контроллера от внешнего лабораторного источника питания. В момент, когда ШИМ-контроллер запускается, на его выходе (конт.8 и конт.11) формируются прямоугольные импульсы, которые далее подаются на базу транзисторов Q3 и Q4. Наличие управляющих импульсов на базе приводит к переключению транзисторов и появлению на их коллекторе импульсов, измененных по форме (см. на рис.5). Удобным в такой диагностике является то, что сигналы на двух этих транзисторах должна быть практически одинаковыми. Сильное расхождение в форме сигналов может говорить о неисправности одного из транзисторов или элементов его «обвязки».

В заключении хочется еще раз отметить всю важность корректной работы согласующего каскада для правильного функционирования силовых транзисторов блока питания. Поэтому во всех случаях, когда осуществляется ремонт силовой части блока питания, необходимо убедиться в исправности согласующего каскада.

 

Профессиональная инфракрасная паяльная станция


Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования