Obr. 7. Blokové zařízení obvodu UC3842N
Obr. 7. Blokové zařízení obvodu UC3842N
Speciální integrované obvody umožňují konstruovat zdroje s větší účinností a spolehlivostí. Jedním z často používaných typů je UC2842N. Obvod je určen pro řízení jednočinných měničů. Měnič je řízen šířkou impulsů, které jsou přiváděny na bázi (gate) výkonového tranzistoru. Zvláštností obvodu je, že šířka budicích impulsů je odvozena z emitorového proudu spínacího tranzistoru. Blokové zapojení obvodu je na obr. 7. Obsahuje startovací klopný obvod, zdroj referenčního napětí, oscilátor, zesilovač regulační odchylky, budič spínacího tranzistoru a komparátor pro hlídání proudu tekoucího tranzistorem. Zdroj řízený tímto obvodem, je-li vhodně navrhnut, může bez problémů pracovat s napětím sítě 90 až 240 V, aniž by bylo třeba cokoli přepínat. Díky účinnému řízení šířky budicího impulsu může také pracovat s větším rozsahem pracovní zátěže.
Obr. 8. Zapojení zdroje pro monitor s obvodem UC3842N
Na obr. 8 je zapojení zdroje z barevného monitoru SVGA, používajícího obvod UC3842N. Pro přehlednost byl ze zapojení vypuštěn síťový usměrňovač a vstupní filtr. Rovněž sekundární strana je pouze naznačena, v originálním zdroji je velmi podobná zapojení z obr. 5. l v tomto případě se jedná o jednočinný blokující měnič, avšak kmitočet je určen řídicím obvodem.
Po zapnutí se objeví napájecí napětí na C1. Přes rezistor R1 se pomalu nabijí C2. Řídicí IO není zatím aktivní, a odebírá proud menší než 1 mA. Když napětí na C2 dosáhne asi 16 V, změní se stav klopného obvodu uvnitř IO a aktivují se jeho další části. Na vývodu 8 se objeví referenční napětí +5 V a rozkmitá se vnitřní oscilátor. Na vývodu 6 se objeví impulsy pro řízení výkonového tranzistoru. Pokud se zdroj zdárně rozběhne, je řídicí obvod napájen z pomocného vinutí na primární straně (po usměrnění diodami D4 a D2). Napětí na kondenzátoru C2 je také použito jako srovnávací napětí pro stabilizaci. Přes dělič R3, R4 a R5 je přivedeno na vývod 2 IO. Toto napětí se porovnává s vnitřním referenčním napětím 2,5 V a vzniklá odchylka mění šířku budicích impulsů pro výkonový tranzistor. Rezistor R2 a kondenzátor C3 urychlují reakci stabilizátoru, R6 a C4 představují zpětnou vazbu zesilovače odchylky.
Na rezistoru R10 se snímá proud, procházející tranzistorem a primárním vinutím transformátoru; proud má pilovitý průběh, viz obr. 2a. Dosáhne — li úbytek na tomto rezistoru a tím i na vývodu 3 IO velikosti napětí na výstupu zesilovače odchylky, překlopí se vnitřní klopný obvod R-S a ukončí se budicí impuls pro výkonový tranzistor. Jak je patrné z blokového zapojení na obr. 7, může se toto napětí pohybovat od 0 do 1 V v závislosti na výstupním napětí zesilovače odchylky. R11 a C7 odstraňují překmit, který vznikne v důsledku nabíjení parazitních kapacit ve vinutí transformátoru při sepnutí tranzistoru. Snímání proudu není důležité jen pro řízení šířky impulsu, ale také jako ochrana spínacího tranzistoru proti nadměrnému proudu. Tato ochrana je velmi kvalitní a spolehlivě ochrání tranzistor nejen při zkratu na výstupu zdroje, ale i při mezizávitovém zkratu na primárním vinutí, což jsem si sám omylem vyzkoušel.
Primární vinutí transformátoru je opět dělené a jeho indukčnost je asi 0,5 mH. Kmitočet měniče je řízen vnitřním oscilátorem. Nastavení je zajištěno rezistorem R7 a kondenzátorem C5. Pro zlepšení kvality obrazu je i v tomto zdroji kmitočet měniče synchronizován kmitočtem řádkového rozkladu. Za tímto účelem je v sérii s C5 rezistor R15, na který jsou přivedeny synchronizační impulsy. L1 je opět jen smyčka vodiče provlečená jádrem vn transformátoru.
Obvod UC3842N je podle katalogu určen pro buzení bipolárních a polem řízených tranzistorů. Ve všech zapojeních, se kterými jsem měl možnost se seznámit, byl použit tranzistor řízený polem (MOSFET). Dioda D5 zabraňuje, aby napětí na řídicí elektrodě přesáhlo 18 V. Pro většinu polem řízených tranzistorů je totiž maximální napětí G proti S jen 20 V. Dioda zároveň chrání řídicí IO při průrazu tranzistoru. Pro potlačení zákmitů je i zde použit člen R12, C8, D3 a dále pak R13, C9 a D6.
Obr. 9, Zapojení zdroje 60 W pro počítače PC
Další zapojení (obr. 9) je zdroj 60 W pro počítače PC. Zapojení je úplné, až na obvod generující signál Power Good. Tento signál má po zapnutí úroveň log. 0 a teprve po ustálení všech napětí přejde do log. 1. Při vypnutí zdroje by tento signál měl přejít do log. 0 dříve než „spadne" napájecí napětí. Signál Power Good je na desce počítače logicky svázán se signálem Reset. V popsaném zdroji byl signál Power Good generován speciálním obvodem, od kterého se mi nepodařilo sehnat žádné údaje.
Zdroj je opět zapojen jako jednočinný blokující měnič. Pro řízení je použit obvod UC3844, který se velmi podobá UC3842N. Tento obvod obsahuje navíc děličku dvěma a hradlo, které odstraní každý druhý výstupní impuls. Navenek tedy obvod budí spínací tranzistor impulsy s polovičním kmitočtem a šířka impulsů může být maximálně jen 50 procent. Ostatní funkce jsou zcela shodné s UC3942N.
Na rozdíl od zdroje pro monitor používá tento zdroj jiný způsob stabilizace napětí. Pro regulaci se snímá napětí na sekundární straně výstupu napětí +5 V a řídicí obvod je ovládán přes optron. Stabilita a přesnost zdroje referenčního napětí v řídicím obvodu zde není důležitá, protože napětí je porovnáváno na IO2, nám již známém obvodu TL431C. Snímání napětí až na sekundární straně umožňuje dosáhnout výborné stability napětí +5 V při změně zátěže. Pro zdroj, který musí pracovat v širokém rozmezí různých zátěží, je to vlastně jediné východisko.
Napájecí napětí +12 V a -12 V jsou odvozena jen poměrem závitů na příslušných vinutích a také stabilita výstupního napětí při změně zátěže je menší. Odchylka do 0,5 V však není na závadu. Napětí -5 V, ze kterého se předpokládá jen nepatrný odběr, je odvozeno z -12 V stabilizátorem 7905. Pro usměrnění napětí +5 V je použit blok Schottkyho diod, které mají v propustném směru asi poloviční úbytek napětí proti běžným diodám. Pro napětí +12 V již nelze u blokujícího měniče Schottkyho diody použít, protože nemají dostatečně velké závěrné napětí. Na vstupu i výstupu zdroje jsou filtry, potlačující vyzařování zdroje. Přepínání 110/220 V chybí, protože zdroj je schopen pracovat se síťovým napětím od 90 do 240 V. Proudový náraz při zapnutí zdroje je omezen termistorem. l když je tento zdroj určen především pro bezdiskové stanice počítačové sítě, spolehlivě „utáhne" i běžné PC, vybavené pevným diskem, dvěma mechanikami pružných disků a několika rozšiřujícími kartami.
Obr. 10. Blokové zapojení obvodu TL494
Další obvod, který se často používá ve spínaných zdrojích, je TL494. Podle výrobce může být označen také K7500 nebo IR3M02. l když je navržen pro řízení dvojčinných měničů, znám zapojení, v němž byl použit i pro buzení jednočinného měniče. Jeho blokové schéma je na obr. 10. Obvod obsahuje zdroj referenčního napětí +5 V, nastavitelný oscilátor, obvod pro hlídání šířky impulsu (Dead time control), dva zesilovače regulační odchylky (Error amp.) a budič výstupních tranzistorů. V logice budiče je dělička dvěma a hradla, která podle napětí na vývodu 13 (Output control) spínají výstupní tranzistory buď současně (0 V) nebo střídavě (+5 V).
Povšimněte si způsobu, jakým je řízena šířka výstupního impulsu. Zatímco u obvodu UC3842 je napětí zesilovače odchylky porovnáváno s napětím snímaným na emitorovém rezistoru výkonového tranzistoru (má přibližně pilovitý průběh), je u obvodu TL494 napětí zesilovače odchylky porovnáváno s napětím na kondenzátoru (má rovněž pilovitý průběh). Proud tekoucí výkonovými tranzistory je možno hlídat jinými způsoby, o jednom z nich se zmíním při popisu konkrétního zdroje. Pomocí napětí na vývodu 4 (Dead time control) je možno řídit maximální šířku výstupního impulsu. Na tento vývod bývá zpravidla připojen obvod zajišťující měkký start zdroje a obvod pro hlídání mezí výstupních napětí.
Obvod má dva zesilovače odchylky, jejichž výstupy jsou
spojeny paralelně. Pro regulaci výstupního napětí se
používá zpravidla jen jeden. Druhý bývá zapojen paralelně
k prvnímu, případně vyřazen z funkce přivedením vhodných
napětí na jeho vstupy. Další možnost je použít jej pro
hlídání funkce zdroje.
Obr. 11. Zapojení zdroje 200 W pro počítače PC-AT
Na obr. 11 je zapojení zdroje 200 W, který je řízen obvodem TL494. Jen s malými obměnami je takto zapojena většina zdrojů s výkonem 180 až 250 W, určených pro napájení počítačů AT. Zdroj je zapojen jako dvojčinný propustný měnič s regulací výstupního napětí. Při popisu funkce si povšimneme nejdřív primární strany zdroje. Síťové napětí je přes filtr přivedeno na usměrňovač, který může být při napětí 110 V změněn ve zvojovač. Kondenzátory C5, C6 a rezistory R1, R2 vytvářejí umělý střed na usměrněném napětí. Tranzistory T1 a T2 jsou výkonové spínací tranzistory měniče, které střídavě připojují jeden konec primárního vinutí na kladné nebo záporné napájecí napětí (proti středu). Výkonová větev začíná u spínacích tranzistorů (emrtor T1, kolektor T2) a prochází nejprve pomocným vinutím budicího transformátoru Tr1 (vinutí 3), primárním vinutím hlavního transformátoru Tr2 (vinutí 1), primárním vinutím pomocného transformátoru Tr3 a kondenzátorem C9 na umělý střed napájecího napětí. Pro větší názornost je celá cesta ve schématu vyznačena tučně.
Po připojení napájecího napětí je celá sekundární strana zdroje bez napětí. Protože řídicí obvod je napájen ze sekundární strany a je bez napájení, nemůže pochopitelně nic řídit. Budicí tranzistory T3 a T4 jsou zavřeny, naopak výkonové tranzistory jsou pootevřeny proudem protékajícím rezistory R5 a R7. Pomocí vinutí 3 transformátoru Tr1 je zavedena kladná zpětná vazba na vinutí 2a a 2b, která způsobí, že se výkonový stupeň měniče samovolně rozkmitá. Kmity mají relaxační charakter, po úzkém impulsu následuje relativně dlouhá mezera. Na výstupu zdroje se objeví napětí, které je vzhledem k povaze kmitů velmi malé. Pro napájení řídicího obvodu je napětí odebíráno ještě před výstupní tlumivkou (Tr4) a usměrněno diodou D14. Na kondenzátoru C16 je napětí odpovídající amplitudě kmitů a to je zpravidla již dostatečné pro práci řídicího obvodu. Jak se zvětšuje napětí na C16, otevírají se tranzistory T3 a T4 přes rezistory R20 a R21 a zkratovávají primární vinutí (1a, 1b) budicího transformátoru. To má za následek zmenšení kladné zpětné vazby a tím i utlumení kmitů. Je tak zabráněno nekontrolovatelným kmitům, pokud řídicí obvod z nějakého důvodu „nenaskočí". Rezistor R22 zajišťuje, že vinutí je zkratováno až po dosažení napětí dostatečného pro práci řídicího IO.
V běžném provozu je zdroj řízen pomocí IO1. Pokud jsou T1 i T2 zavřeny (viz obr. 3, 4), jsou T3 a T4 otevřeny. Zabrání se tím „divokým" oscilacím. Pokud se má otevřít jeden z výkonových tranzistorů, zavře se příslušný budicí tranzistor. Proud procházející přes R23 a D5 nyní jen jedním primárním vinutím Tr1 vybudí napětí na bázi výkonového tranzistoru a pomocí kladné zpětné vazby (nyní je odblokována) jej uvede rychle do saturace. Pokud impuls skončí, otevřou se opět oba budicí tranzistory, kladná zpětná vazba zanikne a překmitem na budicím transformátoru se výkonový tranzistor rychle uzavře. Protože délka impulsu vnucená řídicím IO je kratší než délka impulsu při samovolné oscilaci, udrží se kladná zpětná vazba po celou dobu impulsu.
Stabilizace napětí na výstupech zdroje je odvozena z výstupního napětí +5 V. Velikost ostatních napětí je zajištěna poměrem závitů na sekundární straně Tr2 a polaritou usměrňovacích diod. Pro správnou funkci zdroje je nutná výstupní tlumivka. Teprve na výstupu zdroje (za tlumivkou) je vyhlazené výstupní napětí. Toto napětí je úměrné velikosti napětí impulsu před tlumivkou a poměru šířky impulsu k délce periody. Zde je také další zvláštnost popisovaného zdroje - tlumivka pro jednotlivá výstupní napětí je na společném jádře. Jedná se tak o další transformátor. Dodržíme-li počet závitů a směr vinutí úměrný výstupním napětím, dostaneme další vazbu mezi jednotlivými napětími. V praxi jsou na výstupu zdroje odchylky do 10 % od jmenovitého napětí i při velmi odlišném zatížení jednotlivých větví.
Z vnitřního zdroje referenčního napětí (vývod 14 IO) je přes dělič R15/R14 přivedeno napětí na invertující vstup (vývod 2) zesilovače odchylky. Na neinvertující vstup (vývod 1) je přes dělič R18/R16 přivedeno napětí z výstupu zdroje. Zpětná vazba R13, C13 zajišťuje stabilitu regulátoru. Napětí na výstupu zesilovače odchylky je porovnáno s napětím pilovitého průběhu, snímaným z kondenzátoru oscilátoru C12. Zmenší-li se např. výstupní napětí, zmenší se také napětí na výstupu zesilovače odchylky. Prodlouží se budicí impuls. Budicí tranzistory jsou déle otevřené. Šířka impulsu před tlumivkou se zvětší a napětí se „dorovná".
Druhý zesilovač odchylky je za normálních okolností zablokován předpětím přivedeným na invertující vstup (vývod 15). Zvětší-li se z nějakého důvodu proud tekoucí výkonovou větví zdroje na primární straně, nakmitá se na vinutí 2 transformátoru Tr3 napětí, které se po usměrnění diodou D13 odečítá od předpětí na vývodu 15 IO. Zmenší-li se napětí na tomto vývodu pod 0 V, začne druhý zesilovač odchylky pracovat, převezme řízení délky impulsu a zkracuje impuls tak dlouho, dokud se proud nezmenší na přípustnou velikost. Tato ochrana působí velmi dobře při pozvolném zvětšování proudu, při zkratu na výstupu reaguje však zpravidla pozdě. Proto náhodný zkrat skončí obvykle destrukcí výkonových tranzistorů. Transformátor Tr3 je často ralizován na toroidním jádru o průměru asi 1 cm. Sekundární vinutí tvoří 20 až 30 závitů, jako primární vinutí slouží vodič prostrčený středem transformátoru.
Povšimněme si obvodu připojeného k vývodu 4 řídicího IO. Napětím na tomto vývodu (v originále označeném Dead time control) můžeme ovlivnit maximální šířku impulsu na výstupu IO, tj. maximální čas, po který je zavřen T3 či T4, případně otevřen T1 či T2. Největší šířky je dosaženo při nulovém napětí. Při zvětšování napětí se impuls zkracuje, až zcela zanikne. Při startu zdroje je kondenzátor C14 vybit a na vývodu 4 se krátce objeví napětí +5 V referenčního zdroje. Řídicí obvod je zablokován, napětí na vývodu 4 se však rychle zmenšuje (jak se nabíjí C14). Na výstupu IO se objeví impulsy, které jsou stále delší. Kombinace C14 a R24 tak zajišťuje měkký start zdroje. Naopak krátce po startu je otevřen tranzistor T5 proudem protékajícím kondenzátorem C17 a rezistorem R27. Protože časová konstanta C17*R27 je delší než časová konstanta C14*R24, trvá tato fáze déle než úvodní měkký start. Než se nabije C17 a následně uzavře T5, musí se na výstupu zdroje ustálit napětí. Pak se otevře tranzistor T6 a udržuje nadále na vývodu 4 nulové napětí. Není-li z nějakého důvodu dosaženo výstupních napětí v požadovaném čase, uzavře se tranzistor T5, T6 se neotevře a přes R25 a D10 se na vývod 4 dostane napětí referenčního zdroje a zablokuje řídicí obvod.
Pro práci počítače je nutný signál Power Good (PG). Oznamuje počítači, že zdroj je v pořádku a dává správná napětí. Je nutné, aby tento signál přešel z 0 na +5 V (z log. 0 na log. 1) se zpožděním (po startu zdroje). V počítači je buď přímo nebo přes rezistor spojen se signálem RESET na základní desce. Není-li signál RESET generován pomocí PG, je po zapnutí počítače nutno stisknout příslušné tlačítko.
Ve zdroji je signál PG generován pomocí dvou komparátorů z obvodu LM339. Při startu je prodleva na signálu způsobena nabíjením kondenzátoru C19 přes R38. Napětí se hlídá usměrněním napětí na sekundární straně ještě před výstupní tlumivkou. Amplituda impulsů na sekundární Tr2 je totiž přímo úměrná napětí na primární straně zdroje. Při vypnutí zdroje se zmenšuje amplituda impulsů na sekundární straně zdroje úměrně tomu, jak se vybíjejí kondenzátory C5 a C6. Výstupní napětí zatím "drží", neboť řídicí obvod prodlužuje šířku impulsů, zmenšuje se však napětí na C18. Zmenší-li se napětí na výstupu děliče R35, R36 pod 2,5 V, překlopí se komparátory a signál PG přeje do log. 0 (0 V) dříve, než zanikne napájecí napětí.
Krátce se zmíním o některých součástkách zdroje. Zdroj je navržen pro výstupní proud 20 A pro +5 V, 8 A pro 12 V a 0,5 A pro napětí -5 a -12 V. Diodový blok BD2 jsou Schottkyho diody se špičkovým proudem 40 A, diodový blok BD3 jsou rychlé diody pro 20 A. Pro usměrnění napětí větve -5 a -12 V jsou použity běžné rychlé diody. V některých zdrojích je napětí -5 V odvozeno z -12 V stabilizátorem 7905. Transformátor Tr1 má feritové jádro EE o straně asi 20 mm, Tr2 má feritové jádro EE o straně asi 40 mm. Konstrukce Tr3 již byla zmíněna, Tr4 je navinut na železoprachovém toroidním jádře o průměru asi 35 mm.
Obr. 12. Zapojení zdroje ATX 200 W pro počítače PC
Zdroje pro počítače ATX se liší od zdrojů AT tím, že i ve vypnutém stavu dodávají pomocné napětí 5 V. Za tím účelem bývají doplněny pomocným malým spínaným zdrojem, který je schopen dodat proud až 100 mA (starší zdroje) nebo 1 A (novější). Ve svém počítači mám ATX zdroj, který pomocný měnič nemá. Pomocné napětí se získává tak, že zdroj běží v jakémsi "volnoběhu", podobně jako zdroje AT při zapnutí. Pomocné napětí však bylo velmi měkké (max asi 80 mA) a po výměně MB jsem jej musel drasticky upravit instalací "externího" zdroje 5 V. Odběr z pomocného zdroje může být méně než 5 mA (starší MB pro PII s LX440) až po stovky mA u MB, které stále napájejí i myš a klávesnici, případně modem.
Výkonová část zdroje ATX se zapíná signálem PS_ON generovaným logikou MB - ta je při vypnutém počítači napájena oním pomocným napětím. Na obr. 12 je zapojení zdroje ATX DTK, které zde uvádím s laskavým svolením p. Růžičky. Popis zdroje naleznete na jeho stránkách http://pavouk.comp.cz/index.html Na tomto zdroji je zajímavá dodatečná stabilizace napětí 3,3 V, se kterou jsem se jinde nesetkal.
Doufám, že tento popis pomůže zájemcům o problematiku spínaných zdrojů při pochopení jejich činnosti, radioamatérům při konstrukci vlastních zdrojů a servisním technikům při opravách.
Jaroslav Belza
Původní článek otištěný v Amatérském radiu řada B (modré) č. 4/1994 s. 145 až 151 jsem doplnil o zapojení zdroje ATX a také jsem opravil několik chyb.
10. 1. 2002