Jak funguje spínaný zdroj?

Většina moderních elektronických zařízení prakticky nepoužívá analogové (transformátorové) napájecí zdroje, jsou nahrazeny pulzními měniči napětí. Abychom pochopili, proč se to stalo, je nutné vzít v úvahu konstrukční vlastnosti a také silné a slabé stránky těchto zařízení. Řekneme si také o účelu hlavních komponent pulzních zdrojů a poskytneme jednoduchý příklad implementace, kterou lze sestavit vlastníma rukama.

Konstrukční vlastnosti a princip činnosti

Z několika metod převodu napětí na výkonové elektronické součástky lze identifikovat dva nejrozšířenější:

1. Analogový, jehož hlavním prvkem je snižující transformátor, kromě své hlavní funkce poskytuje také galvanické oddělení.
2. Princip impulsu.

Podívejme se, jak se tyto dvě možnosti liší.

PSU na bázi výkonového transformátoru

Uvažujme zjednodušené blokové schéma tohoto zařízení. Jak je patrné z obrázku, na vstupu je instalován snižovací transformátor, s jeho pomocí se převádí amplituda napájecího napětí např. z 220 V dostaneme 15 V. Dalším blokem je usměrňovač, jeho úkolem je převést sinusový proud na pulzní (harmonická je zobrazena nad symbolickým obrázkem). K tomuto účelu slouží usměrňovací polovodičové prvky (diody) propojené můstkovým obvodem. Princip jejich fungování najdete na našem webu.

Zjednodušené blokové schéma analogového napájecího zdroje

Další blok plní dvě funkce: vyhlazuje napětí (k tomu je použit kondenzátor odpovídající kapacity) a stabilizuje ho. Ten je nezbytný, aby napětí „nekleslo“ při zvýšení zátěže.

Uvedené blokové schéma je značně zjednodušené, zdroj tohoto typu má zpravidla vstupní filtr a ochranné obvody, ale to není pro vysvětlení činnosti zařízení důležité.

Všechny nevýhody výše uvedené možnosti přímo nebo nepřímo souvisí s hlavním konstrukčním prvkem – transformátorem. Za prvé, jeho hmotnost a rozměry omezují miniaturizaci. Abychom nebyli neopodstatnění, použijeme jako příklad snižovací transformátor 220/12 V o jmenovitém výkonu 250 W. Hmotnost takové jednotky je asi 4 kilogramy, rozměry 125x124x89 mm. Dokážete si představit, kolik by na základě toho vážila nabíječka notebooku.

Snižovací transformátor OSO-0,25 220/12

Za druhé, cena takových zařízení je někdy mnohonásobně vyšší než celkové náklady na ostatní komponenty.

Pulzní zařízení

Jak je patrné z blokového schématu na obrázku 3, princip činnosti těchto zařízení se výrazně liší od analogových převodníků, především v nepřítomnosti vstupního snižovacího transformátoru.

Obrázek 3. Blokové schéma spínaného zdroje

Podívejme se na operační algoritmus takového zdroje:

• Napájení je napájeno síťovým filtrem, jehož úkolem je minimalizovat rušení sítě, jak příchozí, tak odchozí, vznikající provozem.
• Dále se uvede do provozu jednotka pro převod sinusového napětí na pulzní konstantní napětí a vyhlazovací filtr.
• V další fázi je k procesu připojen invertor, jehož úkolem je vytváření pravoúhlých vysokofrekvenčních signálů. Zpětná vazba do měniče se provádí přes řídicí jednotku.
• Dalším blokem je IT, je nutný pro automatický režim generátoru, napájení obvodu, ochrany, ovládání regulátoru a také zátěže. Kromě toho úkol IT zahrnuje zajištění galvanického oddělení mezi vysokonapěťovými a nízkonapěťovými obvody.

Na rozdíl od step-down transformátoru je jádro tohoto zařízení vyrobeno z ferimagnetických materiálů, což přispívá ke spolehlivému přenosu RF signálů, které mohou být v rozsahu 20-100 kHz. Charakteristickým rysem IT je, že při jeho připojení je rozhodující zahrnutí začátku a konce vinutí. Malé rozměry tohoto zařízení umožňují vyrábět miniaturní zařízení, příkladem je elektronický svazek (předřadník) LED nebo energeticky úsporné žárovky.

• Dále přichází do činnosti výstupní usměrňovač, protože pracuje s vysokofrekvenčním napětím, proces vyžaduje vysokorychlostní polovodičové prvky, proto se pro tento účel používají Schottkyho diody.
• V konečné fázi se na výhodném filtru provede vyhlazení, po kterém se na zátěž přivede napětí.

Nyní, jak jsme slíbili, se podívejme na princip fungování hlavního prvku tohoto zařízení – měniče.

Jak funguje střídač?

RF modulaci lze provést třemi způsoby:

• pulzní frekvence;
• fázový puls;
• šířka pulzu.

V praxi se používá poslední možnost. Je to dáno jednak jednoduchostí implementace a jednak tím, že PWM má na rozdíl od ostatních dvou modulačních metod konstantní komunikační frekvenci. Níže je zobrazeno blokové schéma popisující činnost regulátoru.

Blokové schéma PWM regulátoru a oscilogramy hlavních signálů

Provozní algoritmus zařízení je následující:

Generátor referenční frekvence generuje řadu obdélníkových signálů, jejichž frekvence odpovídá referenční frekvenci. Na základě tohoto signálu vzniká U_П tvar pilového zubu přicházející na vstup komparátoru K_PWM. Signál U je přiveden na druhý vstup tohoto zařízení_CSS, vycházející z řídicího zesilovače. Signál generovaný tímto zesilovačem odpovídá proporcionálnímu rozdílu U_П (referenční napětí) a U_PC (regulační signál ze zpětnovazebního obvodu). Tedy řídící signál U_CSSve skutečnosti se jedná o nepřizpůsobivé napětí s úrovní, která závisí jak na proudu na zátěži, tak na napětí na ní (U_OUT).

Tato metoda implementace vám umožňuje uspořádat uzavřený obvod, který vám umožní řídit výstupní napětí, to znamená, že ve skutečnosti mluvíme o lineárně diskrétní funkční jednotce. Na jeho výstupu jsou generovány pulsy, jejichž trvání závisí na rozdílu mezi referenčním a řídicím signálem. Na jeho základě je vytvořeno napětí pro ovládání klíčového tranzistoru měniče.

Proces stabilizace výstupního napětí se provádí sledováním jeho úrovně, při jeho změně se úměrně mění napětí řídicího signálu U_PC, což vede ke zvýšení nebo snížení doby mezi pulzy.

V důsledku toho se mění výkon sekundárních obvodů, což zajišťuje stabilizaci výstupního napětí.

Pro zajištění bezpečnosti je vyžadováno galvanické oddělení mezi napájecím zdrojem a zpětnou vazbou. K tomuto účelu se zpravidla používají optočleny.

Všechna moderní elektrická zařízení využívající digitální technologie jsou napájena vestavěnými jednotkami pracujícími v pulzním režimu.

Jsou vybaveny ochranou, mají kvalitní instalaci, ale kvůli přepětí v síti nebo lidským chybám stále selhávají: pak drahý domácí pomocník přestane fungovat.

Abyste se z této situace dostali s minimálními ztrátami, podrobně vysvětluji vše o spínání zdrojů a opravě jejich poruch svépomocí.

Nejprve navrhuji trochu odbočit od tématu, abych si zapamatoval podpůrný referenční materiál. Pokud to nepotřebujete, okamžitě přejděte k opravě problémů.

Spínané zdroje – jak fungují: stručný přehled obvodů

Blokové schéma spínaného zdroje je znázorněno mnemotechnickými symboly tvaru napětí nad každým z jeho dílčích bloků a interakční zapojení jsou označena šipkami.

Je vhodné znázornit schematický diagram tímto způsobem.

Obvodová deska jednoho ze zařízení s umístěním dílů je zobrazena na fotografii níže s mými komentáři.

Přirozeně se jedná pouze o speciální případ, který se s největší pravděpodobností nebude shodovat s vaší UPS. Zde mám jednoduchý cíl – připomenout si principy interakce mezi součástmi bloku.

Potřebujete-li se s těmito problémy seznámit podrobněji, přečtěte si speciálně napsaný článek.

Pravidla elektrické bezpečnosti: jak eliminovat rizika a chránit se před úrazem elektrickým proudem při opravě UPS

Na všech stávajících obvodech spínaných zdrojů jsou vedle primárních obvodů 220V umístěny sekundární obvody výstupního napětí. Všechny je třeba změřit a posoudit.

Předpisy o elektrické bezpečnosti vyžadují, aby nevyškoleným osobám nebylo dovoleno pracovat pod napětím. Určitě si je tedy předem prohlédněte.

Vaši pozornost zaměřím pouze na tři otázky:

1. Pracujte pod napětím pouze jednou rukou: druhou vložte do kapsy a nevyndávejte – okamžitě snížíte riziko zasažení elektrickým proudem.
2. Akumulační kondenzátory uchovávají uloženou energii po dlouhou dobu i při vypnutém napětí a vyžadují opatrné zacházení.
3. Spínaný zdroj pro kontroly připojte pouze přes oddělovací transformátor.

Elektrický odpor lidského těla je velmi nízký: naše tělo se skládá z kapalin. Pokud pracujete pod napětím oběma rukama, pak je vysoká pravděpodobnost vytvoření cesty pro průchod zkratového proudu vaším tělem.

Ale několik desítek miliampérů již může způsobit srdeční fibrilaci.

Okamžité vybití kondenzátoru může také způsobit velké poškození těla. Nedoporučuji vám pokoušet osud: vyzkoušejte fungování paralyzéru na sobě.

Nahromaděný kapacitní náboj musí být nejprve odstraněn. Navíc by se to nemělo dělat pouhým zkratováním jeho vývodů pinzetou nebo propojkou, ale s odporovým odporem v řádu desítek kiloohmů. V opačném případě mohou vzniknout velké proudy, které jednoduše poškodí pracovní kondenzátor.

Oddělovací transformátor odděluje k němu připojený spotřebič od obvodů napájecí rozvodny. Jeho použití zabraňuje toku proudu lidským tělem podél obrysu země.

Velikost zkratového proudu v sekundárním obvodu 220 izolačního transformátoru je omezena výkonem, který může přenášet jeho magnetický obvod.

Toto schéma zapojení umožňuje dotknout se jednou rukou (nikoli dvěma) libovolného místa na sekundárním vinutí transformátoru nebo k němu připojeného zdroje nepřerušitelného napájení.

Doporučuji připojit UPS k sekundárnímu okruhu oddělovacího transformátoru přes žárovku.

Může být použit s výkonem 60-100 wattů jako proud omezující zátěž při opravě jednotky bez oddělovacího transformátoru. Sníží nouzový proud a může zachránit tranzistor před spálením.

Jak opravit spínací zdroj vlastníma rukama: důležité tipy pro začátečníky

Profesionální elektrikář vždy začíná práci přípravou pracoviště, nářadí a vyhodnocením rizik, kterým je třeba předcházet.

Měli byste si dobře uvědomit, že oprava spínaného zdroje vlastníma rukama znamená práci pod napětím v obvodech pod napětím.

Přípravné práce: kde najít spínaný napájecí obvod a jaké měřicí přístroje jsou potřeba

Výrobci elektrických zařízení nyní drží svá profesní tajemství v tajnosti: schéma UPS není veřejně dostupné. Opravy budeme provádět vlastníma rukama a ne ve specializovaném servisním středisku.

1. Otevřeme pouzdro a zkontrolujeme elektronickou desku.
2. Najdeme výkonný tranzistor (výstupní spínač) a mikroobvod (regulátor PWM). Někdy je může spojit společná budova.
3. Označení si zapíšeme a pomocí nich vyhledáme kompletní popis (datový list) v příručkách nebo přes internet.
4. Na základě nalezené dokumentace studujeme vývody mikroobvodu, způsob jeho zapojení a porovnáváme získané informace se skutečným návrhem.

Na malých mikroobvodech se úplné značení ne vždy hodí. Poté výrobci vytvoří kódové označení několika písmen a číslic. Je složitější na něm hledat informace, budete se muset více snažit.

Technologii povrchové montáže desek plošných spojů a způsoby značení dílů dobře vysvětluje ve svém videu Vlad ShchCh. Doporučuji shlédnout.

Je nepravděpodobné, že bude možné opravit UPS bez elektrického měřicího nástroje. Vystačíte si se starými ukazovacími přístroji – testery, jako je můj Ts4324.

Umožňují měřit většinu elektrických parametrů s třídou přesnosti dostatečnou pro opravu, vyžadují však zvýšenou pozornost a dodatečné výpočty.

V dnešní době je mnohem pohodlnější použít pro měření digitální multimetr.

Všechna pravidla pro zacházení s ním pro začátečníky jsem velmi podrobně vysvětlil ve speciálně vydaném článku. Doufám, že vám to bude užitečné.

Osciloskop bude velkou pomocí při odstraňování problémů. Umožňuje vám zobrazit oscilogramy napětí téměř každého uzlu UPS.

Na základě jejich typu a velikosti je docela snadné posoudit výkon každého elektronického prvku v obvodu. Pro měření je vhodný jakýkoli model: starý analogový nebo moderní digitální.

Ale pokud nemáte osciloskop, nezoufejte. V drtivé většině případů si vystačíte s digitálním multimetrem nebo ukazovátkovým testerem.

Algoritmus pro opravu spínaného zdroje: kompletní instrukce v 7 po sobě jdoucích krocích

Závady uvnitř UPS lze rozdělit do dvou kategorií:

1. Zjevné vyhoření se zuhelnatěním dílů, koleje, výbuchy kondenzátorů.
2. Tichá ztráta výkonu bez projevu vnějšího poškození.

Algoritmus pro opravu spínaného zdroje se skládá ze dvou po sobě jdoucích fází: nejprve se provedou primární kontroly bez použití napětí a poté se změří elektrické charakteristiky.

První etapa opravy zahrnuje Kroky č. 1 a 2 je povinné provádět pouze při vypnutém napájení.

Krok č. 1: vnější a vnitřní kontrola

Zpočátku budete muset pouzdro otevřít a pečlivě prozkoumat jeho obsah. Vše, co je na pochybách, musí být důkladně prověřeno.

První typ poškození je plný nebezpečí, že může být obtížné, ne-li nemožné, určit označení ohořelých dílů. V této fázi se mohou opravy zastavit.

Krok č. 2: Kontrola vstupního napětí

Ve druhém případě začíná hledání místa závady kontrolou přítomnosti 220voltových napájecích obvodů. Často je poškozen napájecí kabel nebo je spálená pojistka.

Pojistková vložka se obvykle spálí v důsledku poruchy polovodičového přechodu diod usměrňovacího můstku, tranzistorových spínačů nebo závady v jednotce, která ovládá pohotovostní režim.

To vše je potřeba zkontrolovat multimetrem: přepne se do režimu ohmmetru a změří se stav elektrického odporu indikovaných obvodů, hledá se přerušení, které je třeba odstranit.

Okamžitě řeknu, že byste se neměli uklidňovat, když najdete spálenou pojistku: nejen že selže. V obvodu UPS je zjevně zkrat nebo přetížení: budete muset hledat další poškozené díly.

Pokud nedojde k poškození, pak se spínací zdroj umístí na dielektrickou základnu stolu a přivede se k němu 220 voltů.

Vstupní napětí je nutné kontrolovat multimetrem v režimu voltmetru, měření je nutné provádět na vstupu přepěťové ochrany a za pojistkovou vložkou.

Krok č. 3: kontrola stavu přepěťové ochrany a usměrňovače

Výkon tohoto obvodu by měl být stanoven voltmetrem v režimu měření střídavého napětí. Dávejte pozor na velikost jeho signálu na vstupu a výstupu. U fungujícího zařízení by amplituda harmonických měla být prakticky stejná.

Kvalitu odfiltrování cizího rušení dobře ukazuje osciloskop, ale pokud chybí, tak to není tak špatné. Jeho měření mohou být ve výjimečných případech nutná, je přípustné je přeskočit.

Kontroluje se také činnost usměrňovače: voltmetr se přepne do režimu stejnosměrného obvodu pro měření výstupního napětí. Jeho konce jsou instalovány na nohách elektrolytického kondenzátoru nebo jejich drahách.

Když napětí na výstupu filtru nebo usměrňovače není v normálním rozsahu, budete muset zkontrolovat provozuschopnost všech částí, které jsou součástí jeho obvodu.

V první řadě si dejte pozor na elektrolytické kondenzátory, které při přehřátí vysychají, ztrácejí kapacitu, nebo dokonce explodují. Ihned zhodnoťte správnost jejich geometrického tvaru.

Jakékoli mírné zkreslení, zejména nafouklý kondenzátor, je známkou vnitřního poškození. Pokud není geometrie porušena, pokračujte elektrickým měřením.

To lze provést pomocí testeru ukazatelů dvěma způsoby:

1. Kondenzátor se vybíjí. Zařízení se přepne do režimu ohmmetru a kapacita se nabíjí z jeho vnitřního zdroje: jednoduše přiložte sondy na nohy a krátce podržte.

Poté se nádrž přepne do režimu voltmetru a pozoruje se vybití kapacity. Metoda je přibližná, odhadovaná, ale celkem rychlá.

• Přesnější, ale obtížnější způsob vyhodnocení kondenzátoru je měření jeho kapacity. Prochází jím sinusový proud a měřením se posuzuje jeho velikost a úbytek napětí. Pomocí Ohmova zákona se vypočítá kapacitní reaktance Xc. Z něj se vypočítá kapacita kondenzátoru C.

Digitální multimetr umožňuje jednoduše určit hodnotu kapacity pomocí běžného měření. Má uvnitř již zabudovaný generátor a procesy měření proudu a napětí i výpočty jsou automatizované.

Za druhé, analyzujte provozuschopnost diod. Všechny, včetně silových, musí vést proud pouze jedním směrem. Jejich výkon se posuzuje multimetrem v ohmmetru nebo v režimu spojitosti.

Krok č. 4: Kontrola provozu měniče

Bereme v úvahu, že konstrukční obvod každého vysokofrekvenčního generátoru je sestaven nejen z různých dílů, ale také s širokou škálou konstrukčních řešení.

Často je generátor kombinován na elektronické desce s vysokofrekvenčním transformátorem, stejně jako výstupní usměrňovač a filtr. Budeme vycházet z toho, že nemáme přesné schéma pro konstrukci UPS: kontrolujeme to podle vnějších, nepřímých znaků.

Pracujeme s multimetrem v režimu voltmetru: důsledně vyhodnocujeme amplitudy napětí v různých bodech obvodu měniče. Bereme v úvahu, že zařízení ukazuje efektivní hodnoty a ne maximální hodnoty amplitudy.

Zde je vhodnější osciloskop s děličem napětí: ukáže také tvar každého signálu, což může výrazně usnadnit odstraňování problémů.

Krok č. 5: Kontrola výstupních napětí

Vezměte prosím na vědomí, že mnoho UPS, zejména počítačových, má několik výstupních obvodů, které se liší napětím, například 12, 5 a 3,3 voltů. Navíc je lze sestavit pro různé zatížení.

Všechny je třeba zkontrolovat elektrickými měřeními. Pro spuštění počítačové jednotky do provozu je potřeba zkratovat řídicí signál pro spuštění napájecí jednotky PS_On na černý nulový vodič.

Napájení počítače UPS v klidovém režimu je škodlivé pro elektronický obvod. Zdroj jeho práce se snižuje.

Pro testování pod napětím se doporučuje sestavit jednoduchý obvod pomocí běžných rezistorů. Je vhodné vybrat je s vysokým výkonem a umístit je na radiátory nebo zajistit nucené proudění vzduchu během testu.

Pokud jako zátěž používáte pracovní jednotky počítače, například CD mechaniku, HDD nebo základní desku, jak občas doporučují někteří technici, pak je velká pravděpodobnost, že nevyřešená závada zdroje poškodí i je.

Krok č. 6: kontrola funkce ochrany proti přetížení

Operace se provádí po kontrole kvality výstupních napětí ve všech úsecích obvodu.

Spínané zdroje pro komplexní elektronická zařízení (monitory, digitální TV a podobná zařízení) obsahují proudovou ochranu. Odpojí napájení z připojeného obvodu, když se v něm objeví nebezpečné proudy přesahující jmenovitou hodnotu.

Tato ochrana funguje z vestavěného proudového snímače, ze kterého je do řídicího čipu vysílán signál přetížení. Ten zase vypne napájení výstupního napájecího kontaktu z vytvořeného nouzového režimu.

Toto téma je velmi rozsáhlé a rozsáhlé. Principy konstrukce proudové ochrany ve spínaných zdrojích názorně vysvětluje majitel videa Rostislav Mikhailov.

Krok #7: kontrola obvodu stabilizace výstupního napětí

V této konečné fázi je činnost invertorové řídicí jednotky s měnícím se vstupním napájecím napětím hodnocena působením zpětnovazebního obvodu.

Ověřovací algoritmus se skládá z následujících kroků:

1. UPS je odpojena od obvodů vstupního napětí 220 V.
2. Na výstup optočlenu je připojen číselníkový tester přepnutý do režimu ohmmetru, i když lze použít i digitální multimetr.
3. Na výstup zdroje +/-12 V je přiváděno konstantní napětí z regulovatelného zdroje, jeho hodnota se mění a činnost optočlenu je řízena pomocí odečtů ohmmetru.

Při sníženém napětí bude mít optočlen vysoký elektrický odpor, a když obvod dosáhne 12 voltů, jeho výstup se otevře a jehla ohmmetru prudce sníží své hodnoty.

Takový provoz indikuje společnou provozuschopnost zenerovy diody, optočlenu a stabilizačního obvodu.

Nebylo by také na škodu samostatně zkontrolovat integritu výkonového tranzistoru. Nejdříve se ale musí odpájet z desky.

Pokud to rozměry bloku umožňují, lze jej upravit výměnou:

• usměrňovací diody s vysokým výkonem;
• akumulační kondenzátory vyšší kapacity a napětí.

Takové jednoduché akce prodlouží životnost, pro kterou je spínací zdroj navržen, a oprava vlastními silami přinese majiteli nepochybné výhody. Pokud máte nějaké dotazy k tomuto tématu, použijte prosím sekci komentářů. Odpovím.