Как рассчитать нагрузочный резистор для блока питания
Во время тестирования очередного самодельного или отремонтированного блока питания, чтобы создать нагрузку приходится подключать различные лампочки, мощные резисторы и кусочки спирали от электроплитки. Подбирать нужную нагрузку таким образом очень затратное по времени дело. Чтобы не тратить свое драгоценное время и нервы. Проще собрать простую электронную нагрузку своими руками.
По сути это простое устройство состоящее из мощных транзисторов, позволяющих плавно нагрузить блок питания стабильным регулируемым током.
На этом рисунке изображена схема электронной нагрузки на мощных транзисторах позволяющих нагрузить любой блок питания до 40А.
Как работает эта схема? Напряжение с тестируемого блока питания поступает на базу транзистора Т1 через делитель напряжения собранный на резисторах R1, P1 и P2 и ограничительный резистор R2 . Транзистор Т1 управляет четырьмя мощными транзисторами Т2, Т3, Т4 и Т5 выполняющими роль ключей и создающими управляемую нагрузку на блок питания. Для более точной и грубой установки тока нагрузки в схеме имеется два переменных резистора Р1 и Р2. Силу тока нагрузки и напряжение измеряет китайский электронный вольтметр амперметр. Возможна также установка стрелочных приборов на место электронного.
Данная схема рассчитана на входное напряжение до 50В и силу тока до 40А. Если вы хотите увеличить силу тока добавьте в схему необходимое количество транзисторов TIP36C и шунтирующих резисторов 0.15 Ом 5 Вт. Каждый добавленный транзистор увеличивает силу тока на 10А.
В процессе работы транзисторы Т2, Т3, Т4 и Т5 очень сильно нагреваются, по этому требуются хорошее охлаждение. Установите каждый транзистор на большой радиатор размером 100х63х33 мм без изоляционных прокладок потому, что коллекторы транзисторов на схеме все равно соединены вместе.
Радиаторы охлаждаются двумя мощными вентиляторами 120х120 мм. Которые питаются от отдельного блока питания через стабилизатор напряжения L7812CV, также отсюда питается китайский вольтметр амперметр. Транзистор Т1 и стабилизатор напряжения L7812CV установлены на отдельном небольшом радиаторе от компьютерного блока питания, чтобы не мешать силовым транзисторам работать.
С помощью этого простого и надежного устройства легко нагружать и тестировать любые трансформаторные и импульсные блоки питания, а также аккумуляторы и другие источники питания.
Надеюсь электронная нагрузка для блока питания будет полезной самоделкой для вашей домашней радио мастерской.
Радиодетали для сборки
- Транзистор Т1 TIP41, MJE13009, КТ819
- Транзисторы Т2, Т3, Т4, Т5 TIP36C
- Стабилизатор напряжения L7812CV
- Конденсатор С1 1000 мкФ 35В
- Диоды 1N4007
- Резисторы R1, R2 1K, R3 2.2K, R4, R5, R6, R7 0.15 Ом 5 Вт, Р1 10К, Р2 1К
- Радиаторы 4 шт. размер 100х63х33 мм
- Вентиляторы 2 шт. от компьютера 12В размер 120х120 мм
- Китайский вольтметр амперметр на 50А с шунтом, можно поставить стрелочный прибор, будет намного точнее и надежнее
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать электронную нагрузку для блока питания
Бульбулятор для изготовления печатных плат
Как сделать жидкую канифоль
Универсальный блок питания своими руками
Бегущие огни на светодиодах своими руками
Как разобрать импульсный трансформатор
Зарядное устройство из импульсного блока питания
141 comments on “ Электронная нагрузка для блока питания своими руками ”
Хочу руководствуясь этой схемой сделать регулируемую нагрузку для АКБ с возможностью регулировки от 0 до 10 ампер и задействовать ее вместо лампочки для режима десульфатации вместе с контроллером заряда 12V аккумуляторной батареи. Чтобы в моменты разряда АКБ именно этой нагрузкой разряжать.
Делать такой прибор в конечном счете будет понимающий электрик, просто мне нужно прийти к нему с конкретной идеей.
Напряжение в цепи 12-14 вольт, и нагрузка нужна до 10 ампер, предполагаю, что можно обойтись одним оборотным резистором, плюс ограничить его, чтобы при полном вывороте потребление было около 10 ампер. Вопрос, можно ли таким прибором создавать на АКБ длительную нагрузку для разряда (вместо лампочки), и сильно ли будут в таких условиях греться резисторы, если например поставить их 2, 3, 4 шт (можно ли путем увеличения транзисторов обойтись без радиаторов охлаждения, при длительной нагрузке до 10 ампер)
Добавление к моему посту от 20.01.2022.
Напрасно я обрадовался собранной конструкции. При испытании БП 13.8 В нагрузка работала отлично, но при подключении источника +44В для настройки блока защиты усилителя по току все пошло не так гладко. На мгновение высветилось какое-то небольшое значение тока, а затем пробой одного из транзисторов КТ825Г. Разобрал, заменил неисправный. При повторном включении на пару секунд удалось поднять ток до 8,4 А, после чего опять пробой и КЗ. Заказал TIP36C, хочу переделать на 6 или даже 8 штук, чтобы не превышать паспортную мощность, которую выдерживают транзисторы. Нужно настроить срабатывание защиты на 16-18 А при напряжении 44 В. А пока сделал нагрузку из нихромовой спирали от электроплитки. Хватило одной спирали Сначала подключал один конец к лабораторному прибору кл. точности 0,5,который другим концом подключался к + источника. Минус источника подключался крокодилом к части спирали и определялась длина, соответствующая току 4 А в нагретом состоянии. Затем накручивал этот отрезок на резисторы ПЭВ-50 и 100 Вт и концы спирали ставил на винты М3 в отверстия выводов резисторов. Сделал 4 нагрузки на 4 А и еще одну на 1,4 А из остатка. Таким образом получилась переключаемая нагрузка ступенями 4+4+4+4+1,4=17,4 А.
3 резистора спаял на постоянно, а 4 и 1,4 А также сделал подключаемыми крокодилами. Везде использовал провод 4 кв.мм. В итоге удалось настроить блок защиты, но нагрузку все равно буду делать, так как вещь полезная, пусть даже для низких напряжений.
Здравствуйте. Собрал по вашей схеме навесным монтажом. Все хорошо. Резистор Р1 «грубо» регулирует практически сразу, как и Р2 «точно». На БП 5вольт Р2 регулировал в пределах 500 мА. Решил перенести все на плату. Собрал на макетной плате(там где отверстия для пайки деталей) и после этого резистор Р1 «грубо» начал регулировать примерно после 1/3 своего вращения,а резистор Р2 — вообще практически ничего не регулирует (напряжение бп 5в — примерно 0,01-0,2 мА, а напряжение бп 20в максимум 0,2 мА). Все детали поставил те же, что и при навесном монтаже. Силовые дорожки проложены проволокой диаметром 1 мм. Подскажите в чем может быть проблема. И еще вопрос: для чего нужен резистор R3 2.2 kOm?
Добрый вечер! Где то у вас ошибка в монтаже или скорей всего с переменным резистором проблема. Бывает во время пайки проводов к переменному резистору от перегрева нарушается контакт на заклепке, которой приклепаны ножки к резистору и тогда такая ламбада. Проверьте исправность переменных резисторов мультиметром по всем трем ножкам. При вращении ручки между центральной ножкой и любой крайней, сопротивление должно плавно регулироваться, а между крайними должно быть постоянное сопротивление. Резистор R3 является коллекторной нагрузкой каскада. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2 в этом случае коэффициент усиления каскада максимален. Но это если по феншую. Да же если R3 убрать схема будет отлично работать.
Привет, можешь сделать мне файл со схемой уже готовой для печатной платы
Для электронной нагрузки плата не нужна, проще собрать схему навесным монтажом.
Можешь мне схему сделать для печатной платы
Собрал такую нагрузку, только на NPN транзисторах 2SC4110, 2 штуки. работает отлично. Автору благодарность. В будущем добавлю защиту от перегрева и по превышению мощности. Т1 у меня TIP42C. Пока нагружал 15.1 ампера, 260 Вт, так как нет резисторов по 0.15 Ом, потом планирую влить 300 Вт. Думаю, больше мне пока не надо.
Уже проверил один БП от ноута с неизвестными характеристиками.
Приехали резисторы, взял по 50 ватт, 0.1 Ом. Нагрузил не глядя до 335 ватт, расчетная мощность 320 ватт, радиатор был холодный, все целое.
Заменил 2 переменных резистора на один многооборотный, работает шикарно. Сейчас проектирую новую плату, отказался от световой сигнализации переполюсовки, оставил только звуковую.
Так же сделал автоматическое включение кулера по превышению температуры.
Еще добавил спаренные диоды Шоттки для защиты от переполюсовки по входу.
Собрал данную конструкцию для настройки срабатывания блока защиты по току усилителя мощности 500 Вт 144 МГц, а в дальнейшем и на 432 МГц. Требуется обеспечить срабатывание защиты при 44 В и 15-16 А. В качестве P-N-P транзисторов использовал имеющиеся КТ825Г, а в качестве регулирующего применил транзистор KU607 TESLA. С силовой частью проблем не возникло, а вот регулировка потенциометром «Грубо» оказалась очень острой. В итоге немного поменял номиналы резисторов и теперь установка тока нагрузки стала более-менее приемлемой. R1- 15 кОм, R2- 4,7 кОм. Потенциометр P2 заменил на 470 Ом, хотя можно было это и не делать. Контроль тока и напряжения с помощью такого же прибора, как у автора. В процессе настройки для контроля тока в цепь нагрузки был включен амперметр М253 класса точности 0,5. Расхождения показаний составляли примерно 0,6 А, поэтому пришлось немного подстроить «китайца». Для охлаждения были применены вентиляторы SUNON 48 В. Для питания вентиляторов и цифрового прибора применен отдельный источник. В качестве испытуемого источника применил импульсный блок питания трансивера 13,8 В 23 А. При настройке блока защиты при питании от Flatpack S 48/1800 HE возможно придется еще увеличивать номинал R1. В целом конструкция понравилась. Большое спасибо автору.
Спасибо вам за очень подробный отзыв! 🙂
Пожалуйста. Уже пришлось попробовать эту нагрузку, правда для других целей. Переделал зарядное устройство аккумулятора мотоцикла 6МТС9, сделанное еще в советские годы, на более мощный ток для зарядки автомобильного аккумулятора емкостью 70 Ач. Заменил трансформатор и шунт в амперметре. Для тестирования как раз эта нагрузка и пригодилась. Очень полезное устройство. Раньше приходилось городить из резисторов ПЭВ и автомобильных лампочек, но плавной регулировки тока нагрузки не было.
Да, очень полезная самоделка особенно для тестирования блоков питания.
Приветствую. По ошибке заказал tip35c , возможно эту схему переделать на NPN, и как её изменить?
Добрый вечер! Нет, на NPN транзисторах работать не будет.
Ну это понятно что по этой схеме работать не будет, а в принципе возможно изменить схему так, чтобы она смогла работать на NPN транзисторах, или это невозможно?
Если изменить схему тогда будет. Надо поменять полярность на входе там где подключается тестируемый источник питания, Т1 заменить на PNP транзистор например TIP42, КТ818, Т2-Т5 поставить NPN транзисторы. Вольтметр придется подключить по другому, желтый провод перекинуть на низ. Красный толстый и черный толстый на шунте поменять местами. Должно работать.
Работает отлично на TIP42 и NPN. Спасибо за схему. Выше мой развернутый отзыв.
Если еще нужна помощь, можем по Whatsapp связаться. Я переделал под NPN. 9081302122
Интересно если резисторы 0.15 заменить на 0.1
Также будет работать. Можно ставить резисторы от 0.1 до 0.15 Ом. Все будет отлично работать.
Здравствуйте. Подойдет ли устройство в качестве нагрузки для разряда АКБ 48 вольт 200 А/ч током 20А?
Добрый вечер! Один транзистор при напряжении 12В может выдержать 10А длительное время. Кратковременно до 20А при 12В. При большем токе произойдет разрушение корпуса. У вас напряжение 48В и ток 20А. 48В/12В=4 транзистора при токе 10А. Чтобы выдержать 48В 20А Надо поставить 8 транзисторов TIP36C. Чем больше напряжение, тем меньший ток смогут выдержать транзисторы.
Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.
1. Выбор блока питания
Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи
1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)
2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)
3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)
4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)
5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)
6. Автомобильные магнитолы (до 20А)
7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)
8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)
9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)
10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)
11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)
12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А - накал)
13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)
14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)
15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА - 30А)
16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)
17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)
Следует отметить, что во многих устройствах потребляемый ток в процессе работы может значительно колебаться. Это УМЗЧ, трансиверы (особенно в телеграфном режиме), мощные СДУ. Поэтому при выборе БП следует ориентироваться ни на средний потребляемый ток и уж тем более ни на ток в режиме молчания, а на пиковую потребляемую мощность. Для питания аналоговой электроники с потребляемой мощностью до 500Вт, я рекомендую линейные блоки питания. При чем многоканальные (с несколькими выходными напряжениями). Как правило, цепи с большим потребляемым током позволяют обойтись без стабилизации напряжения. Так же следует обратить внимание на развязку напряжений. Это, прежде всего, относится к аудиотехнике и аппаратуре радиосвязи. В ряде случаев может потребоваться даже гальваническая развязка между цепями (например при конструировании ламповых УМЗЧ класса Hi-End гальваническая развязка анодных цепей позволит избежать влияния выходного каскада на усилитель напряжения. В том числе перекроет паразитные ОС по питанию). Как это делается будет рассказано ниже. Для более мощной аналоговой техники, а так же любой цифровой можно рекомендовать импульсные БП, ибо тепловой режим и массогабаритные характеристики линейных БП такой мощности оставляют желать лучшего. Вообще мощные узлы аппаратуры не особенно взыскательны к питанию, за то от качества питания во многом зависит работа помехонеустойчивых слаботочных узлов. Итак, рассмотрим кормушку изнутри.
2. Правила безопасности
Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.
3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.
3.1. Закон Ома для участка цепи
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.
Эта формула хороша тем, что под "U" можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.
Рис.1
Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:
Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе ()
Из приведенного примера совершенно очевидно, что . Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.
3.2. Закон Ома для полной цепи
Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.
Рис.2
Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.
где: ε – ЭДС
I – сила тока
R – сопротивление нагрузки
r – внутреннее сопротивление источника
Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.
3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.
С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».
4. Начинка
Все БП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.
4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например «Blue Tooth» или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.
4.2. Выпрямление подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.
4.2.1. Четвертьмост
Рис.3
Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.
4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)
Рис.4
Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).
4.2.3. Полный мост
Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).
Рис.5
На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.
Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице
При ремонте или испытании компьютерных блоков питания ATX часто возникает необходимость оценить их нагрузочные характеристики, такие как допустимые отклонения выходных напряжений, уровень пульсаций и конечно же максимальную выходную мощность. Без специального оборудования, в виде эквивалента нагрузки, осциллографа и некоторых других устройств протестировать соответствие стандарту характеристик, указанных производителем на наклейке блока питания крайне сложно. Одни создают специальные стенды, другие пользуются набором автомобильных ламп, третьи используют мощные проволочные резисторы в качестве нагрузочного эквивалента. Его сопротивление у большинства тестеров неизменно и не подбирается специально для каждого испытуемого блока, поэтому функциональность таких приборов ограничена. Мне хотелось сделать простое, но универсальное устройство, позволяющее полуавтоматически устанавливать требуемую нагрузку на шины +5V, +12V, +3,3V, одновременно измеряя соответствующие выходные напряжения и контролируя допустимый уровень их отклонений.
Таким образом был разработан и изготовлен прибор, состоящий из ступенчатого блока нагрузок, модуля управления включением этих нагрузок и платы тестера напряжений компьютерных БП (POWER SUPPLY TESTER), с которой были выпаяны разъемы и нагрузочные резисторы.
Блок нагрузок для каждого канала выходных напряжений 3,3V, 5V и 12V состоит из семи 10-ти ваттных цементных резисторов одинакового сопротивления, один из которых включен постоянно, а остальные шесть подключаются через MOSFET-транзисторы, выступающие в роли электронных ключей. Их поочерёдным открытием и закрытием управляет микросхема LM3914, которая применяется в светодиодных индикаторах с линейной шкалой. Она включена в режиме «столбик». Регулируя переменный резистор, происходит ступенчатое изменение уровня на выходах микросхемы, а значит и поочерёдное открытие или закрытие MOSFETов, которое контролируется загоревшимися светодиодами. Схема включения LM3914 выполнена так, чтобы можно было осуществлять регулировку от минимума (при котором не горит ни один светодиод и все MOSFETы закрыты, но включен один постоянный резистор), до максимума (при котором загораются все шесть светодиодов, MOSFETы открыты и все семь нагрузочных резисторов становятся подсоединенными параллельно). Для отдельной регулировки по каждому каналу использовано три таких модуля на LM3914. Слаботочные линии -5V, -12V и дежурного +5V SB нагружены постоянными маломощными сопротивлениями.
После подключения блока питания ATX к разъемам прибора и включении в сеть, должен загореться фиолетовый светодиод контроля дежурного напряжения +5В_SB. Поскольку этим напряжением питаются и микросхемы LM3914, требуемую нагрузку для каждого канала можно установить как перед запуском БП, так и во время работы, ориентируясь по светодиодным индикаторам.
Запускается тестируемый блок питания кратковременным нажатием кнопки S1, пока в цепи не появится сигнал «Power Good» и не откроется транзистор VT1, который зашунтирует кнопку, о чем будет сигнализировать загорание зелёного светодиода “PG”. Время задержки появления сигнала “PG” будет отображено на дисплее индикатора выходных напряжений. После этого должен заработать кулер и засветиться все светодиоды наличия выходных напряжений. Выключение осуществляется нажатием кнопки SB2. Ее контакты зашунтируют эмиттерный переход транзистора VT1, и он закроется, разомкнув цепь включения блока.
Какой уровень индикаторов выставить для каждого канала определяется исходя из нижеприведённых расчетов. Зная общее сопротивление резисторов при параллельном включении к каждой шине, можно рассчитать какая сила тока будет протекать через нагрузку и какой будет выходная мощность по каждому каналу выходных напряжений 3,3V, 5V и 12V.
Таким образом можно проводить тестирование с различными вариантами нагрузок, причем желательно, чтобы их общая суммарная мощность не превышала 100 процентов максимальной выходной мощности БП. Выход за пределы, в лучшем случае, может привести к срабатыванию защиты от перегрузки по току, а в худшем – к выходу из строя проверяемого блока питания. Всегда нужно обращать внимание и на допустимую комбинацию нагрузок по каждой линии, чтобы не допустить перекос напряжений, возникающий из-за неравномерного их распределения по шинам.
Повышая ток нагрузки контролируется снижение значений выходных напряжений, максимально допустимые отклонения которых не должны превышать 5% от номинала.
Для подключения испытуемого блока питания к тестеру была сделана внешняя плата, на которую припаяны 24-х контактный разъем для питания материнской платы, 4-х контактный разъем питания процессора, 6-ти контактный – для дополнительного питания видеокарты, SATA и Molex – для подключения жестких дисков и оптических приводов.
Тестер выполнен в стандартном корпусе блока питания ATX. В нижней части корпуса на посадочные места устанавливается плата нагрузок с ключами. На нагрузочные резисторы через термопасту по всей площади устанавливается радиатор размерами 130х110х45, который крепится к плате и обдувается родным кулером. Плата с микросхемами управления и светодиодами индикации включения нагрузок и состояний всех линий (+5V_Standy (дежурное), PowerGood, +3.3V, +5V, +12V, -12V, -5V (для старых БП)), а также тактовыми кнопками включения и выключения расположена в верхней части корпуса, который специально для удобств выбран с уже имеющимися для них отверстиями. Понадобилось только выпилить место под экран тестера напряжений. Цвет индикаторных светодиодов, а также светодиодов наличия напряжения на линиях, подобран в соответствии со стандартными цветами проводов блока питания.
Печатные платы выполнены в программе Sprint-Layout 6.0.
В качестве ключей подойдут любые n-канальные MOSFET-транзисторы в корпусе TO252, взятые с материнских плат.
Также необходимо не забыть вывести провода для подключения платы индикации выходных напряжений к соответствующим выводам, откуда были выпаяны разъёмы.
Выдает ли свои чистые 500 Ватт качественный блок питания известного бренда с сертификацией «80 Plus» или недорогой бюджетный блок питания с небольшим весом? Этим прибором с успехом удаётся проверить.
Прикрепленные файлы:
AmadeusEvg Опубликована: 27.05.2021 Изменена: 29.05.2021 0 0
Вознаградить Я собрал 0 1
Описание тестера для компьютерного блока питания.
Пишу первый раз, поэтому не судите строго за статью.
В общем однажды надоело мне тыкаться прибором проверять напряжения, которые выдает напряжения и замыкать контакты для запуска блока питания скрепкой (пинцетом).
И тогда я задумался, а как мне ускорить данный процесс. И первое что пришло мне в голову сделать диагностическую плату, которая будет показывать наличие напряжения по различным каналам с помощью светодиодов. Включать блок питания с помощью кнопки с фиксацией, а при необходимости подключать прибор к двум контактам и с помощью кнопок (обязательно без фиксации) подключать проверяемые напряжения.
По прошествии некоторого времени, я понял, что этого стало то же недостаточно. Так как некоторые блоки питания могли и не запустится при хорошей нагрузки, и мне их возвращали обратно. И вот тогда я и задумался о том, что надо еще и нагрузку для тестирования сделать.
Долго соображал, как совместить плату диагностики и тестовую нагрузку. В итоге нарисовал схему с помощью программы Proteus и даже частично протестировал. Очень удобная программа, мне нравится. Еще для не сложных схем использую Sprint-Layout для рисования схем и Splan для рисования плат. Далее исходники будут доступны для скачивания.
За основу взял корпус блока питания от компьютера, причем именно с двумя разъемами 220 вольт (у которого есть выход на монитор). И тут же родилась еще одна параллельная идея. Когда подключаешь неисправный блок питания то не знаешь есть ли у него короткое замыкание на входе или нет. Что бы не стрельнуло обычно его подключают через лампочку, если лампочка не светится, то смело можно подключать и без лампочки.
Тут же быстренько сообразил схему с выключателем, для того что бы не отключая проверяемый блок питания можно было отключить лампочку. Естественно еще стоит дополнительный предохранитель на случай если все-таки что-то пойдет не так. В самой кнопке есть неонка которая светится красным цветом, когда лампочка замкнута выключателем. Очень информативно получилось всегда видно, когда задействована лампочка, а когда нет.
Отвлекся я немного от основной темы.
Процесс совмещения контроля и нагрузки подошёл к второй стадии, подбор комплектующих. Долго определялся с радиатором для охлаждения нагрузочных резисторов, выбрал от процессора 472 сокета с максимальной площадью и установил его напротив вентилятора.
Далее подбирал из того что было, с резисторами, транзисторами и светодиодами все понятно. А вот с нагрузочными резисторами пришлось соображать. Покупать по 100 рублей за штуку не было никакого желания. Нашел у себя резисторы на 2,4 ома 5 ватт с возможностью крепления на радиатор. Откуда они у меня появились уже не помню. По схеме видно, как они подключены. Там еще есть нагрузочные резисторы на -5 и -12 вольт, их поставил для общей пользы, на них нагрузка составляет около 200-400 миллиампер.
В итоге получилась такая нагрузка: +3.3 В = 2.5 А, +5 В = 4А, +12 = 5А/11А (там стоит переключатель так же с индикацией, который при включении (загорается красная лампочка в нем) дает нагрузку 11 А. Выключатель был установлен потому что не все блоки питания могут выдать такую нагрузку, надо смотреть табличку на блоке питания какие максимальные токи он выдерживает. В общем практика показала, что такой нагрузки вполне достаточно для обычных компьютеров. Отдельно выведен выключатель с зеленой подсветкой для проверки блока питания без нагрузки. И последнее есть коннектор для измерения напряжения на выходе блока питания, к которому подключается вольтметр, и с помощью переключателей выбирается проверяемое напряжение (3.3, 5, 12 и 5 Stb). Переключатели взял со средней точкой для экономии места, а без фиксации чтобы не подключить два напряжения одновременно.
А теперь самое интересное, сборка.
Вот тут-то же пришлось голову поломать. Во-первых, как это оптимально расположить и соблюсти температурный режим. Во-вторых, не запутаться при подключении.
Думаю, объяснять тут особо нечего, на фото все видно. Единственное задумался как плату со всей мелочевкой закрепить, корпус то металлический. Подсмотрел как крепят некоторые материнские платы и сделал так же. Есть такие вставки, которые двойные, у них одна защелка чуть меньше чем вторая. Так вот, просверлил в плате дырки под маленькие защелки, а в крышке корпуса побольше. И сперва с наружи вставил вставки в металлическую крышку, а затем к ним изнутри зафиксировал саму плату, как это иногда делается при фиксации материнских плат.
Когда подключал плату ко всему остальному нашёл пару ошибок в разводке платы, пришлось корректировать как саму плату, так и рисунок платы в оригинале. Поэтому данная плата теперь без ошибок.
Транзисторы предназначены для управления светодиодами, так как на прямую они не работают.
Плату диагностики теперь использую при ремонте блоков питания, так как она легкая и компактная, и висит на проводе не мешая. По ней определяю все ли напряжения присутствуют, а потом уже основательно проверяю с помощью нагрузки.
Вроде бы ничего не забыл. Будут вопросы или предложения пишите, по возможности отвечу.
В качестве самой просто схемы я покажу вариант с одним диодом и конденсатором. Такая схема используется в обратноходовых блоках питания, которые составляют сейчас подавляющее большинство.
В готовом блоке питания она выглядит так, как показано на этом фото.
Такие блоки питания чаще всего идут в комплекте с недорогой техникой.
Следующим шагом идет двухполупериодный выпрямитель. Эта схема использовал раньше весьма часто, но в последнее время вытеснена другой, которую я покажу позже.
Такая схемотехника чаще всего встречается в мощных блоках питания, особенно она удобна в нерегулируемых блоках на базе драйвера IR2151-2153, о которых я рассказывал в прошлой части.
Как я тогда сказал, она хорошо подходит для построения первичных источников питания, которые не являются стабилизированными, но которые имеют хороший КПД и могут использовать для питания других устройств, например как этот блок питания лабораторного источника питания.
Особое преимущество данной схемы в том, что ее очень легко переделать в двухполярную и использовать для питания усилителей мощности. В таком варианте добавляется всего пара диодов и конденсатор.
Когда мощности обратноходовой схемотехники не хватает, то используют ее прямоходовый вариант. Здесь энергия при одном такте сначала накапливается в дросселе, а потом через нижний диод поступает в нагрузку. Данная схемотехника очень похожа на схему классического StepDown преобразователя.
Заметить что блок питания собран по такой схемотехнике очень просто, на плате будет большой дроссель. В качестве фильтрующих дроссели с таким габаритом используют крайне редко, потому ошибиться сложно.
Но есть альтернативный вариант этой схемы. Он применяется чаще всего в компьютерных блоках питания и ведет свои истоки от первых БП формата АТ.
Здесь присутствует накопительный дроссель, а первичная обмотка силового трансформатора связана с одной из обмоток трансформатора управления. Если изъять дроссель из этой схемы, то блок питания при нагрузке выше определенной выйдет из строя.
То же самое касается и предыдущей схемы.
Отличить блоки питания последних двух типов очень легко, слева БП построенный по аналогии блока питания АТ формата, у него сразу заметен трансформатор около транзисторов, справа однотактный прямоходовый, трансформатора здесь нет.
Дроссели имеют разные размеры, но это следствие разной рабочей частоты и иногда экономии производителя. Меньший дроссель в работе скорее всего будет перегреваться, да и схема можно работать не очень надежно при максимальной мощности.
Чаще всего в качестве выходных диодов импульсных блоков питания используются диоды Шоттки. Они имеют два важных преимущества перед обычными:
1. Падение напряжения на них в 1.5-2 раза меньше
2. Они быстрее, чем обычные диоды, потому имеют меньше потер при переключении.
В блоках питания рассчитанных на высокое выходное напряжение применяют чаще всего обычные диоды, так как прямое падение у высоковольтных обычных и Шоттки примерно одинаково. Но из-за того что Шоттки быстрее, можно получить уменьшенные потери на снаббере, потому я советую применять их и здесь.
Так как после выпрямления на конденсаторе будут присутствовать заметные пульсации, то после него ставят LC фильтр или говоря простым языком - дроссель и конденсатор
Для примера "народный" блок питания где явно виден как дроссель, так и два конденсатора.
Дроссель необязательно будет большим, а вполне может быть совсем миниатюрным. Работать правда он будет хуже, но это лучше чем ничего.
Иногда дроссель вообще не ставят, хотя место под него есть. Это банальная экономия "на спичках", я всегда рекомендую установить на это место дроссель.
Для примера уровень пульсаций без дросселя и с дросселем. Но стоит учитывать, что после установки дросселя пульсации на первом конденсаторе вырастут, так как на него будет приходится "ударный" ток. Обычно именно он выходит из строя первым.
Улучшить ситуацию можно установив параллельно электролитическим конденсаторам керамические. Данная мера можно существенно облегчить режим работы электролитов. Но стоит иметь в виду, что эффективно они работают только при относительно небольших мощностях БП, а точнее при относительно небольших токах. Можно конечно поставить много таких конденсаторов, но это дорого и габаритно.
При доработке конденсаторы можно напаивать прямо на выводы электролитических конденсаторов.
Я применяю конденсаторы с емкостью 0.1-0.47мкФ.
Чтобы еще немного улучшить качество работы, следует внимательнее отнестись к разводке печатной платы. Если страссировать плату по типу того как я показал на схеме, то пульсации могут еще немного уменьшиться, тем более что это бесплатно.
Ну и последний шаг, установка синфазного дросселя на выходе блока питания. Такое применяется чаще всего в фирменных блоках питания, которым требуется проходить сертификацию на уровень помех излучаемых в эфир. В дешевых практически никогда не встречается.
Теперь об выходных конденсаторах.
Если вы пользуетесь дешевыми блоками питания, то скорее всего на выходе увидите либо вообще безымянные модели.
Но все равно, лучше применять именно фирменные конденсаторы, а не суррогаты с их именем. На фото блок питания фирмы Менвелл.
Для облегчения работы конденсаторов есть способ, когда вместо одного двух емких устанавливают много менее емких конденсаторов. В таком варианте нагрузка лучше распределяется и конденсаторы живут дольше.
Схема стабилизации.
Самый простой вариант - стабилизировать напряжение по обратной связи со вспомогательной обмотки трансформатора, правда такое решение и самое плохое в плане стабильности, так как влияет магнитная связь между обмотками и их активное сопротивление, зато дешево.
Следующий вариант сложнее, здесь в качестве порогового элемента применен стабилитрон. В таком варианте выходное напряжение Бп будет равно падению на стабилитроне + напряжению на светодиоде оптрона. Характеристики схемы так себе, но вполне приемлемы для некритичных нагрузок.
Например блок питания с такой стабилизацией. Сверху около оптрона ничего нет.
Снизу расположен стабилитрон и несколько резисторов
Но куда лучшие характеристики показывает схема с регулируемым стабилитроном TL431. Она имеет куда выше качество работы и точность поддержания в том числе лучше держит параметры при изменении температуры.
На плате она обычно выглядит так, как показано на фото.
Расположение выводов в разных вариантах корпуса.
Например в "народном" блоке питания применен SMD вариант корпуса. На фото видны резисторы делителя обратной связи и вспомогательные, например "подтяжки" к питанию чтобы сформировать минимальный рабочий ток для стабилитрона.
Еще пара фото, сверху платы ничего нет, а стабилитрон TL431 находится снизу.
Иногда в цепи обратной связи ставят подстроечный резистор. Но сначала я скажу пару слов о том, как рассчитывается делитель.
Если применяется стандартный делитель из двух резисторов, то его номиналы подбираются таким образом чтобы при требуемом выходном напряжении в точке соединения было 2.5 Вольта, именно на это напряжение и рассчитана TL431, но стоит учитывать, что есть и более низковольтный вариант этой микросхемы, на 1.25 Вольта, хотя встречается он гораздо реже.
Теперь к подстроечному резистору. Для большего удобства на плате может располагаться подстроечный резистор, позволяющий менять выходное напряжение в небольших пределах, чаще всего +/- 10-20%, больший диапазон не рекомендуется, так как Бп может вести себя нестабильно.
Подстроечный резистор всегда должен стоять последовательно с нижним резистором делителя, тогда в случае выхода его из строя вы получите на выходе Бп минимальное напряжение, а не максимальное, как если бы подстроечный резистор стоял сверху.
Кроме того подстроечные резисторы часто имеют низкую надежность, и если вам не нужна эта функция, то лучше заменить его на постоянный, предварительно подобрав его номинал.
Полностью на плате весь этот узел выглядит следующим образом.
Пару слов о выходном нагрузочном резисторе.
Импульсный блок питания плохо работает без нагрузки, потому параллельно выходу обычно ставят нагрузочный резистор, обеспечивающий минимально необходимую нагрузку при которой БП работает стабильно.
Есть и минус у данного решения, резистор обычно греется, причем иногда заметно. Кроме того этот резистор может греть конденсаторы если они стоят рядом, как на этом фото.
Иногда они греются так, что на плате становятся видны следы перегрева. Но кроме того этот нагрев может плохо сказываться на стабильности БП если он подогревает резисторы делителя обратной связи и они при этом применены обычного типа, а не точные/термостабильные.
Резисторы греются, параметры начинают меняться и меняется выходное напряжение БП, потому рекомендуется располагать резисторы делителя так, чтобы они не были подвержены нагреву, а кроме того лучше применять точные резисторы, на которые нагрев влияет существенно меньше.
Иногда производители неправильно выбирают номинал нагрузочного резистора и он начинает греться сильнее чем допустимо. Например в 24 Вольте версии "народного" блока питания как раз была такая ситуация, пришлось поменять его потом на резистор в два раза большего номинала.
Чтобы ваши блоки питания работали надежно, следует внимательно отнесись к подбору компонентов.
Диоды выбираются из расчета двухкратного запаса для двухтактной схемы и трехкратного для однотактной, например БП 5-7 Ампер, значит диод ставим на 15-20.
Напряжение должно быть не менее чем в четыре раза больше чем выходное у блока питания, если БП на 12 Вольт, то диод на 60, если на 24, то на 100.
Все эти параметры есть в даташите на диоды
Также они указаны на самих диодах.
Конденсаторы следует выбирать низкоимпедансные или LowESR, это также обычно отражено в даташите на компонент.
Емкость выбираем из расчета 0.5-1 тысяч мкФ на 1 Ампер выходного тока. Напряжение - для двухтактной схемы 1.5-2 раза выше чем выходное, для обратноходовой однотактной - не менее чем 2х от выходного.
По фирмам смотрим чтобы были известные бренды, но это я писал и в статье про входной фильтр, здесь рекомендации аналогичны.
С выходным дросселем все гораздо проще, номинальный ток дросселя не менее чем максимальный выходной ток блока питания. Лучше применить дроссель на больший ток, тогда его нагрев будет существенно меньше. Индуктивность 4.7-22мкГн, зависит от выходного тока, так как дроссель на большой ток и индуктивность будет весьма большим.
Обычно дроссели выполняются либо в виде "гантельки", либо в "броневом" исполнении, вторые чаще предназначены для поверхностного монтажа.
В общих чертах на этом все, и конечно видеоверсия данной статьи. Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.
Читайте также: