Доработка блока питания

Иногда возникает потребность получить от стандартного блока питания персонального компьютера(далее БП) кроме имеющихся напряюжений еще и дополнительный выход с напряжением в несколько десятков вольт и невысокой степени стабилизации, например для питания шаговых двигателей. Такое решение оправдано при при разработке опытных экспериментальных ,штучных приборов и устройств на основе PC.Преимуществом такого подхода являются дешевизна, скорость, ну и возможно простота технического решения за счет отказа от необходимости реализации некоторых требований предъявляемых к электронным системам (например гальванической развязки драйверов исполнительных устройств и блоков управления). Для получения требуемых напряжений имеется возможность реализации нескольких вариантов доработки, разной степени сложности, стандартного БП, причем с сохранением всех его исходных функций . При этом необходимо учитывать следующие характеристики питающего устройства:

-количество дополнительных выходов

-полярность напряжений

-мощность, нагрузочная способность, токи

-стабилизация(напряжения, тока), ее характеристики,

-защита от перегрузок

-наличие гальванической развязки

Для того что-бы максимально полно использовать эти возможности предлагаю рассмотреть схему стандартного БП ATX 250 -350 вт .Таких схем достаточно много приведено в интернете. На рис.1 изображены основные узлы необходимые для иллюстрации описания принципа работы устройства

В компьютерных блоках питания, для получения выходных напряжений, используются отдельные вторичные обмотки основного трансформатора.Для каждого из выходов используется своя пара диодов на выходе которых относительно средней точки соответствующей обмотки имеется выпрямленное импульсное напряжение каждого полупериода частоты преобразования. Для выделения постоянной составляющей используется LC цепочка -дроссель и выходной электролитический конденсатор большой емкости для каждого напряжения.Все дроссели намотаны на одном кольцевом сердечнике и поэтому представляют из себя тарнсформатор.Количество витков обмоток этого трансформатора подобрано таким образом что соотношение выходных напряжений остается постоянным (относительно) при изменении нагрузки на разных выходах.Поэтому для системы стабилизации можно использовать одно из напряжений, как правило это +5 вольт, остальные напряжения будут поддерживаться автоматически. Такое решение конечно же снизило точность установки и стабилизации выходных напряжений , но поскольку это не так уж и критично для систем и узлов персонального компьютера, упростило блок питания, и , является вполне оправданным.

Большинство мпульсных блоков питания, по сути своей, не могут работать без нагрузки. Такой режим не предусмотрен при нормальной эусплуатации. Поэтому,если БП не включен в состав какого либо устройства желательно обеспечить нагрузку, хотя бы минимальную, на выходе с напряжением +5 вольт. Для этого можно использовать например небольшую лампочку накаливания на напряжение 6,3 вольта.Ее свечение можно использовать для индикации включенного состояния.

Поскольку нашей целью является получение дополнительных напряжений , лучше всего будет использовать для работы , полностью исправный, рабочий блок питания, и не пытаться вносить в его схему какие либо изменения которые с большой долей вероятности могут нарушить его работу, или совсем выведут его из строя.

Рассмотрим некоторые варианты технических решений которые мы можем использовать.

1.

Амплитудное значение напряжения на выходной обмотке трансформатора превышает выходное напряжение ,как правило, почти в два раза. Оно не стабилизировано и меньше напряжения сети переменного тока в К раз, где К коэффициент трансформации. Для 12ти вольтовой обмотки оно может достигать 20-30 вольт. Получить это напряжение на выходе можно очень просто - для этого потребуется один диод и конденсатор. См рис.2

Достоинство этого решения : -минимальное количество дополнительных деталей

Недостатки -напряжение на выходе трансформатора не синусоидальное, скорость нарастания импульса высокая.Поэтому токи заряда конденсатора протекающие через него и через диоды будут импульсные и будут значительно больше величины среднего тока на этом выходе БП. Эти токи зависят от величины емкости конденсатора и его внутреннего омического и индуктивного сопротивления. В результате на этом выходе не удастся получить,при некотором небольшом уровне пульсаций, выходной ток превышающий несколько сотен миллиампер во избежание выхода из строя выпрямительных диодов. Причем надо учесть что импульсные токи ключевых транзисторов тоже вырастут весьма заметно;

-напряжение не стабилизировано и зависит от напряжения питающей сети. При увеличении общей нагрузки увеличиваются пульсации с частотой 100 (50х2)Гц так как увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения на основных конденсаторах БП;

-увеличить мощность,уменьшить токи можно добавив дроссель перед выходной емкостью, но это уменьшит выходное напряжение и увеличит его зависимость от нагрузки.

2.

см.рис.3

Для получения выходных напряжений большой и очень большой величины(до нескольких тысяч вольт) можно использовать дополнительный повышающий трансформатор и двухполупериодную схему выпрямления с диодным мостом или со средней точкой выходной обмотки. К сожалению дополнительный трансформатор, диодный мост, конденсаторы фильтра трудно разместить внутри корпуса блока питания. Если же собрать схему в дополнительном корпусе то для подключения ее основному блоку потребуется всего одна пара проводов.Отсутствие необходимости укладываться в маленькие габариты даст возможность использовать очень простой дополнительный трансформатор с большими индуктивностями рассеяния и маленькой связью между обмотками, что позволит отказаться от дросселя фильтра. Дополнительным бонусом имеем возможность получения большого количества выходов на разные напряжения и гальваническую развязку между ними и остальной схемой.Достоинства и недостатки этого решения те же что и у первого варианта.

3.

Для получения стабилизированного напряжения в районе 40 -60 вольт и большим током нагрузки можно использовать схему с дополнительным трансформатором или схему с умножением напряжения.

Рассмотрим схему с умножением напряжения как более просто реализуемую.см.рис.4 .Два дополнительных конденсатора и четыре диода удается разместить внутри корпуса блока питания.Дроссель представляет из себя дополнительную обмотку 10-15 витков провода которую доматывают на ферритовое кольцо с обмотками имеющихся дросселей.Обычно намотать эту обмотку удается без выпаивания выводов обмоток этого кольца. Диаметр провода этой обмотки можно взять несколько меньше общепринятого так как она будет расположена поверх остальных и будет активно охлаждатьсяю.Если использовать провод в эмалевой изоляции не представляется возможным то следует применить более гибкий провод в неплавящейся изоляции, например типа МГТФ.Дополнительную обмотку нужно подключать к схеме с соблюдением правильного порядка начала и конца намотки .Для этого надо просто посмотреть как подключена обмотка дросселя например 5 вольт. Она может состоять из нескольких парралельных проводов и более заметна. Количество витков дополнительной обмотки определяет степень и характер стабилизации выходного напряжения, а так же величину пульсаций с частотой 100 (50х2)Гц и в идеале должно быть равно количеству витков дросселя на выходе 12 вольт. Изменяя место подключения диодов умножителя можнос ступенчато увеличивать величину выходного напряжения на 5,12,20 вольт.

Именно это решение было реализовано для питания напряжением 48-60вольт коммутаторов компьютерных сетей.Максимальный потребляемый ток 1 ампер. Для доработки использован Switching power supply JNC model 235ATX См рис. Другие выходы БП не задействовались. Амплитуда пульсаций 100Гц при токе нагрузки 1А составила 1,5В.

К сожалению, в отличие от схемы с дополнительным трансформатором, в схеме с умножением напряжения остается проблема больших имульсных токов заряда дополнительных конденсаторов , что влияет на выбор их типа и емкости. В какой то степени с этой проблемой можно справиться если в провод подключенный к общей точке диодов Д1 и Д2 включить дроссель .Но поскольку наличие этой детали снижает выходное напряжение и увеличивает выходное сопротивление этого выхода БП, мы ,нашем случае, от этой детали отказались.

4.

Для получения выходной мощности близкой к максимальной и получения приемлемых параметров надежности и стабилизации выходного напряжения потребуется использование внешнего дополнительного трансформатора и "дроссельного трансформатора.Схема при этом упрощается, поскольку она просто повторяет имеющуюся.В этом случае потребуется только 4 точки (две пары)для подключения внешнего блока к имеющейся схеме. Для получения напряжений

10В 20А (5+5),

17В 8А (12+5),

24В 8А (12+12) см. рис.5

в качестве элементов схемы можно использовать трансформатор, выпрямительные диоды на радиаторе и ферритовое кольцо для "дроссельного трансформатора"(без переделки) из ненужного БП. В этом случае необходимо учесть максимальную мощность (с учетом дополнительной нагрузки) которую можно снять с БП без перегрузки ключевых транзисторов и предусмотреть принудительное охлаждение радиатора дополнительных диодов.

Для получения других напряжений можно использовать тот же трансформатор с перемотанной выходной обмоткой или применить другой ,например кольцевой, магнитопровод."Дроссельный трансформатор" тоже придется перематывать.

Этот вариант решения, за отсутствием необходимости, не применялся и не макетировался.При попытке его реализации следует,скорее всего, в дроссельном трансформаторе оставить число витков одной из обмоток такое же как было в 5В дросселе а число витков второй обмотки должно быть больше во столько раз во сколько требуемое выходное напряжение превышает 5В. Выбор выпрямительных диодов так же будет определятся этим напряжением и током нагрузки

На этом, видимо, исчерпываются варианты простой доработки компьютерных БП ATX, XT без вмешательства в исходную схему и режимы ее работы.