ШИМ-контроллер: схема, принцип работы, управление

Шим 2003 и его переделка в лабораторный

В статье представлена простая конструкция ШИМ-регулятора, с помощью которой можно легко переделать компьютерный блок питания, собранный на контроллере, отличном от популярного TL494, в частности, DR-B2002, DR-B2003, SG6105 и прочих, в лабораторный с регулируемым выходным напряжением и ограничением тока в нагрузке. Также здесь я поделюсь опытом переделки компьютерных БП и опишу испытанные способы увеличения их максимального выходного напряжения.

В радиолюбительской литературе имеется множество схем переделки устаревших компьютерных блоков питания (БП) в зарядные устройства и лабораторные источники питания (ИП). Но все они касаются тех БП, в которых узел управления построен на базе микросхемы ШИМ-контроллера типа TL494, или его аналогов DBL494, KIA494, КА7500, КР114ЕУ4. Нами было переделано больше десятка таких БП. Хорошо показали себя зарядные устройства, изготовленные по схеме, описанной М. Шумиловым в статье «Компьютерный блок питания – зарядное устройство», (Радио – 2009, № 1) с добавлением стрелочного измерительного прибора для измерения выходного напряжения и зарядного тока. На основе этой же схеме изготавливались первые лабораторные источники питания, пока не попала в поле зрения «Универсальная плата управления лабораторными блоками питания» (Радио-ежегодник – 2011, № 5, стр. 53). По этой схеме можно было изготавливать гораздо более функциональные источники питания. Специально для этой схемы регулятора был разработан цифровой ампервольтметр, описанный в статье «Простой встраиваемый ампервольтметр на PIC16F676».

Но все хорошее когда-нибудь кончается и в последнее время все чаще стали попадаться компьютерные БП, в которых были установлены другие ШИМ-контроллеры, в частности, DR-B2002, DR-B2003, SG6105. Возник вопрос: как можно использовать эти БП для изготовления лабораторных ИП? Поиск схем и общение с радиолюбителями не позволил продвинуться в этом направлении, хотя и удалось найти краткое описание и схему включения таких ШИМ-контроллеров в статье «ШИМ-контроллеры SG6105 и DR-B2002 в компьютерных ИП». Из описания стало понятно, что эти контроллеры гораздо сложнее TL494 и пытаться управлять ими извне для регулирования выходного напряжения вряд ли возможно. Поэтому от этой идеи было решено отказаться. Однако при изучении схем «новых» БП было отмечено, что построение схемы управления двухтактным полумостовым преобразователем выполнено аналогично «старым» БП – на двух транзисторах и разделительном трансформаторе.

Была предпринята попытка вместо микросхемы DR-B2002 установить TL494 со своей стандартной обвязкой, подключив коллекторы выходных транзисторов TL494 к базам транзисторов схемы управления преобразователем БП. В качестве обвязки TL494 для обеспечения регулирования выходного напряжения была выбрана неоднократно проверенная выше упомянутая схема М. Шумилова. Такое включение ШИМ-контроллера позволяет отключить все имеющиеся в БП блокировки и схемы защиты, к тому же эта схема очень проста.

Попытка замены ШИМ-контроллера увенчалась успехом – БП заработал, регулировка выходного напряжения и ограничение тока также работали, как и в переделанных БП «старого» образца.

Описание схемы устройства

Схема блока ШИМ-регулятора для замены ШИМ-контроллеров компьютерных БП представлена на рисунке. Питание DA1 осуществляется от схемы питания дежурного режима БП через фильтр R13-C6. На вывод 1 DA1 поступает сигнал контроля выходного напряжения и тока. Подробно работа схемы описана в оригинальной статье М. Шумилова.

Конструкция и детали

Блок ШИМ-регулятора собран на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита размером 40х45 мм. Чертеж печатной платы и схема расположения элементов показаны на рисунке. Чертеж показан со стороны установки компонентов.

Плата рассчитана на установку выводных компонентов. Особых требований к ним не предъявляется. Транзистор VT1 может быть заменен на любой другой аналогичный по параметрам биполярный транзистор прямой проводимости. На плате предусмотрена установка подстроечных резисторов R5 разных типоразмеров.

Монтаж и наладка

Крепление платы осуществляется в удобном месте одним винтом поближе к месту установки ШИМ-контроллера. Автор нашел удобным крепить плату к одному из радиаторов БП. Выходы PWM1, PWM2 запаивают прямо в соответствующие отверстия ранее установленного ШИМ-контроллера – выводы которых идут к базам транзисторов управления преобразователем (выводы 7 и 8 микросхемы DR-B2002). Подключения вывода Vcc осуществляется к точке, в которой имеется выходное напряжение схемы дежурного питания, значение которого может находиться в пределах 13…24В.

Регулировка выходного напряжения ИП осуществляется потенциометром R5, минимальное выходное напряжение зависит от номинала резистора R7. Резистором R8 можно осуществить ограничение максимального выходного напряжения. Значение максимального выходного тока регулируется подбором номинала резистора R3 – чем меньше его сопротивление, тем больше будет максимальный выходной ток БП.

Порядок переделки компьютерного БП в лабораторный ИП

Работа по переделке БП связана с работой в цепях с высоким напряжением, поэтому настоятельно рекомендуется подключать БП к сети через разделительный трансформатор мощностью не менее 100Вт. Кроме того, для исключения выхода из строя ключевых транзисторов в процессе наладки ИП, подключать его к сети следует через «предохранительную» лампу накаливания на 220В мощностью 100Вт. Ее можно подпаять к БП вместо сетевого предохранителя.

Прежде, чем приступить к переделке компьютерного БП желательно убедиться в его исправности. Перед включением к выходным цепям +5В и +12В следует подключить автомобильные лампочки на 12В мощностью до 25 Вт. Затем подключить БП к сети и соединить вывод PS-ON (обычно зеленого цвета) с общим проводом. В случае исправности БП «предохранительная» лампа кратковременно вспыхнет, БП заработает и загорятся лампы в нагрузке +5В, +12В. Если после включения «предохранительная» лампа загорится в полный накал, возможен пробой силовых транзисторов, диодов выпрямительного моста и т. д.

Далее следует найти на плате БП точку, в которой имеется выходное напряжение схемы дежурного питания. Его значение может находиться в пределах 13…24В. Из этой точки в дальнейшем будем брать питание для блока ШИМ-регулятора и вентилятора охлаждения.

Затем следует выпаять штатный ШИМ-контроллер и подключить к плате БП блок ШИМ-регулятора согласно схемы (рис. 1). Вход P_IN подключают к 12-вольтовому выходу БП. Теперь необходимо проверить работу регулятора. Для этого следует подключить к выходу P_OUT нагрузку в виде автомобильной лампочки, движок резистора R5 вывести до отказа влево (в положение минимального сопротивления) и подключить БП к сети (опять же через «предохранительную» лампу). Если лампа нагрузки загорится, следует убедиться в исправности схемы регулировки. Для этого нужно осторожно повернуть движок резистора R5 вправо, при этом желательно контролировать выходное напряжение вольтметром, чтобы не сжечь нагрузочную лампу. Если выходное напряжение регулируется, значит блок ШИМ-регулятора работает и можно продолжать модернизацию БП.

Выпаиваем все провода нагрузки БП, оставив по одному проводу в цепях +12 В и общий для подключения блока ШИМ-регулятора. Выпаиваем: диоды (диодные сборки) в цепях +3,3 В, +5 В; диоды выпрямителей -5 В, -12 В; все конденсаторы фильтров. Электролитические конденсаторы фильтра цепи +12 В следует заменить на конденсаторы аналогичной емкости, но с допустимым напряжением 25 В или более в зависимости от предполагаемого максимального выходного напряжения изготавливаемого лабораторного ИП. Далее следует установить нагрузочный резистор, показанный на схеме рис. 1 как R2, необходимый для обеспечения устойчивой работы ИП без внешней нагрузки. Мощность нагрузки должна быть около 1 Вт. Сопротивление резистора R2 можно рассчитать исходя из максимального выходного напряжения ИП. В самом простом случае подойдет 2-х ваттный резистор сопротивлением 200-300 Ом.

Далее можно выпаять элементы обвязки старого ШИМ-контроллера и прочие радиодетали из неиспользуемых выходных цепей БП. Чтобы не выпаять случайно что-нибудь «полезное» рекомендуется отпаивать детали не полностью, а по одному выводу, и лишь убедившись в работоспособности ИП, удалять деталь полностью. По поводу дросселя фильтра L1, автор обычно ничего с ним не делает и использует штатную обмотку цепи +12 В. Это связано с тем, что в целях безопасности максимальный выходной ток лабораторного ИП обычно ограничивается на уровне, не превышающем паспортный для цепи +12 В БП.

После очистки монтажа рекомендуется увеличить емкость конденсатора фильтра С1 источника питания дежурного режима, заменив его на конденсатор номиналом 50 В/100 мкФ. Кроме того, если установленный в схеме диод VD1 маломощный (в стеклянном корпусе), его рекомендуется заменить на более мощный, выпаянный из выпрямителя цепи -5 В или -12 В. Также следует подобрать сопротивление резистора R1 для комфортной работы вентилятора охлаждения М1.

Опыт переделки компьютерных БП показал, что с применением различных схем управления ШИМ-контроллером, максимальное выходное напряжение ИП будет находиться в пределах 21…22 В. Этого более чем достаточно для изготовления зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов, однако для лабораторного источника питания все же маловато. Для получения повышенного выходного напряжения многие радиолюбители предлагают использовать мостовую схему выпрямления выходного напряжения, но это связано с установкой дополнительных диодов, стоимость которых довольно высока. Я считаю этот метод нерациональным и используею другой способ повышения выходного напряжения ИП – модернизацию силового трансформатора.

Есть два основных способа модернизации силового трансформатора ИП. Первый способ удобен тем, что для его реализации не требуется разборка трансформатора. Он основан на том факте, что обычно вторичная обмотка мотается в несколько проводов и есть возможность ее «расслоить». Схематично вторичные обмотки силового трансформатора показаны на рис. а). Это наиболее часто встречающаяся схема. Обычно 5-вольтовая обмотка имеет по 3 витка, намотанных в 3-4 провода (обмотки «3,4»-«общ.» и «общ.»-«5,6»), а 12-вольтовая – дополнительно по 4 витка в один провод (обмотки «1»-«3,4» и «5,6»-«2»).

Для этого трансформатор выпаивают, аккуратно распаивают отводы 5-вольтовой обмотки и расплетают «косичку» общего провода. Задача состоит в том, чтобы разъединить параллельно включенные 5-вольтовые обмотки и включить все или часть из них последовательно, как это показано на схеме рис. б).

Выделить обмотки не составляет труда, но вот правильно сфазировать их довольно трудно. Автор использует для этой цели низкочастотный генератор синусоидального сигнала и осциллограф или милливольтметр переменного тока. Подключив выход генератора, настроенного на частоту 30…35 кГц, к первичной обмотке трансформатора, с помощью осциллографа или милливольтметра контролируют напряжение на вторичных обмотках. Комбинируя подключение 5-вольтовых обмоток добиваются увеличения выходного напряжения по сравнению с исходным на требуемую величину. Таким способом можно добиться увеличения выходного напряжения БП до 30…40 В.

Второй способ модернизации силового трансформатора – это его перемотка. Это единственный способ получить выходное напряжение ИП более 40 В. Самой трудной задачей здесь является разъединение ферритового сердечника. Автор взял на вооружение способ вываривания трансформатора в воде в течение 30-40 минут. Но прежде, чем вываривать трансформатор следует хорошо продумать способ разъединения сердечника, учитывая тот факт, что после вываривания он будет очень горячим, к тому же горячий феррит становится очень хрупким. Для этого предлагается вырезать из жести две клиновидные полоски, которые затем можно будет вставить в зазор между сердечником и каркасом, и с их помощью разъединить половинки сердечника. В случае разламывания или откалывания частей ферритового сердечника особо расстраиваться не стоит, так как его успешно можно склеить циакриланом (т. н. «суперклеем»).

После освобождения катушки трансформатора необходимо смотать вторичную обмотку. У импульсных трансформаторов есть одна неприятная особенность – первичная обмотка намотана в два слоя. Сначала на каркас намотана первая часть первичной обмотки, затем экран, затем все вторичные обмотки, снова экран и вторая часть первичной обмотки. Поэтому нужно аккуратно смотать вторую часть первичной обмотки, при этом обязательно запомнив ее подключение и направление намотки. Затем снять экран, выполненный в виде слоя медной фольги с припаянным проводом, ведущим к выводу трансформатора, который предварительно следует отпаять. И, наконец, смотать вторичные обмотки до следующего экрана. Теперь обязательно нужно хорошо просушить катушку струей горячего воздуха для испарения воды, проникшей в обмотку во время вываривания.

Количество витков вторичной обмотки будет зависеть от требуемого максимального выходного напряжения ИП из расчета примерно 0,33 витка/В (то есть 1 виток – 3 В). Например, автор намотал 2х18 витков провода ПЭВ-0,8 и получил максимальное выходное напряжение ИП около 53 В. Сечение провода будет зависеть от требования к максимальному выходному току ИП, а также от габаритов каркаса трансформатора.

Вторичную обмотку мотают в 2 провода. Конец одного провод сразу запаивают на первый вывод каркаса, а второй оставляют с запасом 5 см для формирования «косички» нулевого вывода. Закончив намотку, запаивают конец второго провода на второй вывод каркаса и формируют «косичку» таким образом, чтобы количество витков обеих полуобмоток обязательно было одинаковым.

Теперь следует восстановить экран, намотать смотанную ранее вторую часть первичной обмотки трансформатора, соблюдая исходное подключение и направление намотки, и собрать магнитопровод трансформатора. Если разводка вторичной обмотки запаяна правильно (на выводы 12-вольтовой обмотки), то можно впаять трансформатор в плату БП и проверить его работоспособность.

Дата: 15.11.2016 // 0 Комментариев

Переделка блока питания в зарядное устройство на ШИМ 2003 является более сложной, чем на ШИМ TL494. Уже опубликовав статью о том, как сделать зарядное устройство из блока питания на ШИМ 2003, пришла на ум еще одна идея альтернативной переделки. Быстренько подобрав аналогичный блок питания, мы приступили к ее реализации. В общем, читаем, что из этого получилось.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием — выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Диагностика микросхемы

Диагностика контроллера FSP3528 ничем не отличается от диагностики всех других современных ШИМ-контроллеров для системных блоков питания, о чем мы уже неоднократно рассказывали на страницах нашего журнала. Но все-таки, еще раз, в общих чертах, расскажем, как можно убедиться в исправности субмодуля.

Для проверки необходимо блок питания с диагностируемым субмодулем отключить от сети, а на его выходы подать все необходимые напряжения ( +5V, +3.3V, +12V, -5V, -12V, +5V_SB ). Это можно сделать с помощью перемычек от другого, исправного, системного блока питания. В зависимости от схемы блока питания, возможно, потребуется подать еще и отдельное питающее напряжение +5В на конт.1 субмодуля. Это можно будет сделать с помощью перемычки между конт.1 субмодуля и линией +5V.

При этом на контакте CT ( конт.8 ) должно появиться пилообразное напряжение, а на контакте VREF ( конт.12 ) должно появиться постоянное напряжение +3.5В.

Далее, необходимо замкнуть «на землю» сигнал PS-ON. Это делается замыканием на землю либо контакта выходного разъема блока питания (обычно зеленый провод), либо конт.3 самого субмодуля. При этом на выходе субмодуля ( конт.1 и конт.2 ) и на выходе микросхемы FSP3528 ( конт.19 и конт.20 ) должны появиться прямоугольные импульсы, следующие в противофазе.

Отсутствие импульсов указывает на неисправность субмодуля или микросхемы.

Хочется отметить, что при использовании подобных методов диагностики необходимо внимательно анализировать схемотехнику блока питания, так как методика проверки может несколько измениться, в зависимости от конфигурации цепей обратной связи и цепей защиты от аварийных режимов работы блока питания.

Роль шима — контроллера в работе импульсного блока

Шим — контроллеры играют важную роль в импульсном блоке. Он отвечает за процессы, связанные с широтно — импульсной модуляцией. Шим — контролёр способствует выработке импульсов, у которых одинаковая частота, но в то же время разная длительность включения. Все подаваемые импульсы соответствуют определённой логической единице. У импульсов одинаковая не только частота, но и одинаковая величина амплитуды. Продолжительность функционирования логической единицы может меняться в процессе её работы. Такие перемены помогают наилучшим образом управлять работой электронной системы.

Таким образом, шим — контролёр — одна из важных цепочек, участвующих в работе импульсного блока. В некоторых видах помимо шим — контролёра благополучное функционирование блока питания обеспечивает импульсный трансформатор и специальный каскад силовых ключей.

А в каких сферах используются импульсные блоки питания? В первую очередь, в электронике. Об этом речь пойдёт далее.

Особенности работы микросхемы или как может работать ноутбук

Компьютерный блок питания и роль шим — контролёра в нём Все современные компьютеры, в том числе и ноутбуки, оснащены импульсными блоками питания. Установленные в ноутбуке или в обычном компьютере блоки содержат индивидуальную микросхему шим — контролёра. Стандартной микросхемой считают микросхему TL494CN.

Прежде всего стоит сказать о главной задаче микросхемы TL494CN. Итак, главной задачей схемы является широтно — импульсная модуляция. Другими словами микросхема вырабатывает импульсы напряжения. Одни импульсы регулируемы, другие нет. В микросхеме предусмотренно примерно 6 способов выводов сигналов. Упомянем некоторые интересные подробности каждого вывода микросхемы ноутбука.

Первый вывод. Считается положительным входом усилителя сигнала ошибки. Уровень напряжения на первом выводе оказывает значительное влияние на функционирование последующих выводов. При низком напряжении при втором выводе у выхода усилителя ошибки будут низкие показатели. И напротив, при повышенном напряжении показатели усилителя ошибки повысятся.

Второй вывод. Второй же вывод является напротив отрицательным выходом для усилителя. Здесь показатели напряжения немного по-иному оказывают своё влияние на усилитель. Так, при высоком напряжении (выше чем на первом выводе) у выхода усилителя низкие показатели. В случае низкого напряжения усилитель обладает высокими данными.

Третий вывод. Служит неким контактным звеном. Перемены в уровне напряжения зависят от двух диодов, которыми наделен внутренний усилитель. Во время изменения уровня сигнала хотя бы на одном диоде меняется уровень напряжения всего усилителя. В некоторых случаях третий вывод обеспечивает скорость изменения ширины импульсов.

Четвёртый вывод. Способен управлять диапазон скважности всех выходных импульсов. Уровень поступаемого напряжения в четвёртом выводе влияет на ширину импульсов в микросхеме шим — контролёра.

Пятый вывод. Перед пятым выводом стоит немного другая задача. Он присоединяет врямязадующий конденсатор к заданной микросхеме. Ёмкость присоединённого конденсата оказывает значительное влияние на частоту выходных импульсов шим — контролёра.

Шестой вывод. Служит для подключения времязадающего регистра, который также влияет на частоту.

Все эти шесть выводов способствуют выполнению главной задачи, которая поставлена перед микросхемой шим — контролёра — выход импульсов с широкой модуляцией. А это действие, в свою очередь, влияет на работу импульсного блока, а значит и на работу ноутбука.