Учебно-практический центр «Эксперт» — Учебно-практический центр «Эксперт»
Импульсные источники питания завоевывают все большее жизненное пространство. Надежность их растет, и те недостатки, которые характерны для импульсных преобразователей энергии, с лихвой компенсируются их несомненными преимуществами. Сейчас они начинают применяться уже в тех областях, где традиционно использовались линейные источники питания.
Один из недостатков импульсных преобразователей энергии это то, что они являются источником высокочастотных помех, проникающих в первичную сеть переменного тока. Это, в свою очередь, может приводить к нестабильной работе другого оборудования, подключенного к той же фазе первичной сети, что и импульсный источник. В связис этим, абсолютно любой блок питания должен иметь в своем составе входные помехоподавляющие цепи, обеспечивающие его защиту от помехиз первичной сети, а также защиту первичной сети от высокочастотных помех импульсного источника. Кроме того, эти цепи могут выполнять функции по защите от высоких напряжений и больших токов.
Переменный ток сети на первом этапе преобразования должен быть выпрямлен с помощью диодного моста. На этот диодный мост переменный ток подается через сетевой выключатель, сетевой предохранитель, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехоподавляющий фильтр. В подавляющем большинстве источников питания построение входных цепей одинаково, и такая типовая схема входных цепей приводится на рис. 1.
Рис. 1
Терморезистор с отрицательным ТКС служит для ограничения броска зарядного тока через конденсатор С5 в момент включения источника питания. При включении блока питания в начальный момент времени через диодный мост протекает максимальный зарядный ток конденсатора С5, и этим током может быть выведен из строя один (или более) диод выпрямителя. Так какв холодном состоянии сопротивление терморезистора составляет несколько Ом, ток через выпрямительные диоды моста ограничивается на безопасном для них уровне. Через некоторый промежуток времени в результате протекания через терморезистор зарядного тока С5, он нагревается, его сопротивление уменьшается до долей Ома и большене влияетна работу схемы.
Такое решение проблемы ограничения броска зарядного тока при помощи элемента с нелинейной вольт – амперной характеристикой используется достаточно часто, так как схема при этом получается наиболее простой и дешевой по сравнению с другими вариантами. Кроме того, она обеспечивает минимальные потери и высокую надежность, что и обуславливаетее применение практически во всех блоках питания. Ограничительный терморезистор, как и всякий нагреваемый элемент, обладает тепловой инерцией. Это означает, что для того, чтобы он восстановил свои ограничительные свойства, после выключения блока питания из сети должно пройти некоторое время (порядка нескольких минут), то есть он должен остыть. При этом следующее включение блока питания произойдет так жес ограничением броска зарядного тока. И это является дополнительным условием, из-за которого настоятельно рекомендуется выждать одну-две минуты перед следующим включением источника питания после его выключения, хотя на практике часто встречаются ситуации, при которых необходимо выключить источник питания и тут же снова включить его.
Терморезисторы довольно часто выходят из строя при пробоях силового транзистора, пробоях диодов выпрямителя. Неисправности терморезисторов довольно очевидны, так как они перегорают обычно с физическими нарушениями корпуса, т. е. корпус элемента разламывается и на нем видны следы копоти. При перегорании терморезистора специалист, производящий ремонт, может применить несколько вариантов решения проблемы:
— Заменить терморезистор на аналогичный — это наиболее оптимальное решение.
— Заменить терморезистор обычным резистором малого сопротивления (несколько Ом) и большой мощности (порядка 5 Вт) —в этом случае такой резистор будет осуществлять ограничение тока через выпрямитель в течение всей работы блока питания, однако будет выделять довольно большое количество тепла.
— Заменить терморезистор несколькими витками нихромовой проволоки — такой элемент будет выполнять общее ограничение тока, а витки будут способствовать плавному нарастанию тока. Однако стоит отметить, что такое решение нельзя назвать оптимальным, и лучше воздержаться от его применения.
— Замена терморезистора перемычкой — такой способ ремонта не рекомендуется применять (а некоторые специалисты и категорически предупреждают от замены терморезистра перемычкой), однако в некоторых ситуациях это приходится делать. К тому же, если при ремонте пришлось заменить диоды выпрямителя и поставить более мощные (например, КД226), то, как показывает практика, зарядный ток для таких диодов не страшени схема вполне работоспособна без терморезистора.
Следует отметить, что ограничительный терморезистор некоторые производители размещают между «-» диодного моста и общим проводом первичной части (рис. 2).
Рис. 2
В некоторых источниках питания терморезисторы не используются,а применяются ограничительные резисторы большой мощности (обычно белого цвета и имеющие форму параллепипеда). Эти резисторы имеют номинал сопротивления, равный несколько Ом и мощность5 –10 Вт.Как уже отмечалось ранее, такой резистор обеспечивает ограничение тока не тольков момент включения, а постоянно при работе источника питания. Поэтому на резисторе рассеивается достаточно большая мощность, и он очень сильно нагревается.
Сетевой плавкий предохранитель FU1 предназначен для защиты питающей сети от перегрузок, которые возникают при неисправностях сетевого выпрямителя или силового транзистора. Конструктивное изменение положения предохранителя при ремонте нежелательно, так как это может приводить к появлению сетевых электромагнитных помех.
Входной помехоподавляющий фильтр обладает свойством двунаправленного помехоподавления, то есть предотвращает проникновение высокочастотных импульсных помех из сетив блок питания и, наоборот, из блока питания в сеть.Эти импульсные помехи могут иметь значительную амплитуду. Сетевые помехи имеют в основном промышленную основу и создаются аппаратурой дуговой и контактной сварки, силовой пускорегулирующей аппаратурой, приводными электродвигателями, медицинской аппаратурой и т. д. Генерируемые блоком питания помехи обусловлены, главным образом, импульсным режимом работы силового транзистора и выпрямительных диодов. Помехи, генерируемые и силовой сетью и блоком питания можно разделить на два типа: симметричные и несимметричные.
Симметричная (дифференциальная) помеха — напряжение между проводами питания. Эта помеха измеряется между двумя полюсами шин питания.
Несимметричная (синфазная) помеха — напряжение между каждым проводом и корпусом блока питания (рис. 3).
Рис. 3
Для анализа работы помехоподавляющего фильтра рассмотрим случай, когда симметричная помеха воздействует на схему блока питания.
ЭДС помехи приложена к входу источника питания между фазным и нулевым проводом со стороны сети. Конденсатор С1 представляет собой очень большое сопротивление для питающего тока сетевой частоты (50Гц), и поэтому этот ток через конденсатор С1 не ответвляется.Для импульсного высокочастотного тока помехи этот конденсатор, напротив, имеет очень малое сопротивление, и поэтому большая часть тока помехи замыкается через него.
Однако одного конденсатора С1 оказывается недостаточно для полного подавления помехи. Поэтому далее включается двухобмоточный дроссель Т1 (нейтрализующий трансформатор), обмотки I иII которого имеют одинаковое число витков и намотанына одном сердечнике. Направление намотки обеих обмоток согласное. Из этого следует, что полезный ток сетевой частоты, протекающий по обмоткам I иII в противоположных направлениях, будет создавать в сердечнике Т1 два равных встречно-направленных магнитных потока, взаимно компенсирующих друг друга. Поэтому независимо от величины потребляемого от сети тока сердечник Т1 не будет намагничиваться, а значит, индуктивность обеих обмоток будет максимальна. Несмотря на это,из-за того, что питающий полезный ток имеет низкую сетевую частоту, обмотки Т1 не будут оказывать ему сколько-нибудь значительного сопротивления. Высокочастотный же ток помехи будет задерживаться этим дросселем. При этом, благодаря трансформаторному исполнению, индуктивность каждой из обмоток Т1 возрастает на величину взаимной индуктивности. Это объясняется тем, что магнитные потоки от высокочастотного тока помехи точно также взаимно компенсируются, как и токи сетевой частоты. Поэтому сердечник Т1 не намагничивается,а магнитная проницаемость его максимальна. Если бы вместо Т1 в каждый провод включался бы обычный дроссель, то протекающий ток намагничивал бы сердечники этих дросселей, в результате чего их магнитная проницаемость была бы меньше, даже при том же количестве витков.
Далее уже остаточная энергия помехи подавляется конденсатором С4, который замыкает через себя оставшуюся часть тока высокочастотной помехи, прошедшую через Т1.
Однако основное назначение конденсатора С4 иное. Диодный выпрямитель (D1-D4) также является генератором высокочастотных помех, что связано с импульсным характером тока через выпрямитель. Величина помех в основном зависит от свойств полупроводниковых диодов выпрямителя (крутизны вольтамперной характеристики, инерционности).
Процесс восстановления обратного сопротивления диодов при переключении не является мгновенным, и при смене полярности приложенного напряжения через диоды протекают импульсные обратные токи, обусловленные рассасыванием избыточных носителей. Эти импульсные токи и являются помехами, генерируемыми сетевым выпрямителем. Конденсатор С4, включенный в диагональ диодного моста, замыкает через себя токи этих импульсных помех, препятствуя их проникновениюв питающую сеть и нагрузку блока питания.
Конденсаторы С2 и СЗ — обязательные элементы и предотвращают проникновение несимметричных импульсных помех в питающую сеть. Такие же конденсаторы могут устанавливаться и до дросселя, образуя таким образом симметричный фильтр (рис. 4)
Рис. 4
Для предотвращения проникновения несимметричных помех из силового преобразователя в нагрузку через общий провод вторичной стороны в некоторых блоках питания этот общий провод не имеет гальванической связи с корпусом блока питания, а подключенк нему через дополнительный фильтрующий конденсатор малой емкости. При таком включении большая часть тока импульсной помехи замыкается через этот конденсатор внутри схемы блока питания. На рис. 5 таким конденсатором является С6 (4.7n/3kV).
Рис. 5
Следует отметить, что для разрядки конденсаторов сетевого фильтра после выключения блока питания из сетина выходе сетевого фильтра может включаться высокоомный резистор R1 на рис. 4. Включение такого резистора обусловлено требованиями техники безопасности при ремонте блока питания.
В современной схемотехнике во многих блоках питания по сетевому входу включается также варистор или динистор. Варистор — это нелинейный элемент, сопротивление которого зависит от приложенногок нему напряжения. Поэтому, пока сетевое напряжение не выходитза пределы допустимого, сопротивление варистора велико (десятки МОм), и он не влияетна работу схемы. При перенапряжениив сети варистор резко уменьшает свое сопротивление, и возросшим током через него выжигается плавкий предохранитель. Остальные элементы блока питания при этом остаются целыми. Сам варистор при этом обычно выходит из строя, что очень легко заметить —он чернеет,на окружающих его элементах — копоть и обычно варистор раскалывается. Достаточно часто для защиты источника питания от работы при повышенных напряжениях сети используется зенеровский диод, обозначаемый на схемах ZNR. Принцип работы его практически не отличается,т. е. если к нему прикладывается напряжение выше уровня его пробивного напряжения, то он «пробивается» и также выжигает плавкий предохранитель.
Маркировка варистора или зенеровского диода является достаточно простой. На корпусе тремя цифрами указывается номинал пробивного напряжения. Например, число 301 соответствует пробивному напряжению 300В (30×101), число 271 – напряжению 270В (27×101) и т. д.
В случае неисправного варистора или зенеровского диода установка нового предохранителя и повторное включение источника питания опять приводит к перегоранию предохранителя. Замену варистора или диода желательно производить на аналогичное изделие. Установка прибора с меньшим пробивным напряжением часто приводит его «пробою» при включении источника питания, т. к. именно в момент включения наблюдается большой скачок напряжения. Если установить прибор с большим значением пробивного напряжения, то в момент включения он не будет выходить из строя, однако и защищать источник питания он буде хуже. Возможен и такой способ решения проблемы, как полное удаление варистора (зенеровского диода) из схемы. Источник питания при этом будет запускаться без проблем, и предохранитель будет оставаться целым, однако, как, наверное, всем понятно, защита от повышенного напряжения сети будет отсутствовать. Такой способ решения проблемы стоит применять только в том случае, если вы увереныв хорошем качестве питающего напряжения и нет возможности найти аналогичную замену неисправному прибору.
Что такое блок питания компьютера, устройство, виды, схемы, принцип работы, компоненты — Железо на DTF
Анимированная версия статьи (видео)
7267 просмотров
Компьютерный блок питания (БП) это устройство, которое преобразовывает сетевое переменное напряжение в несколько постоянных напряжений, номиналом 12, 5 и 3.3 Вольта, которые и потребляют различные компоненты компьютера.
Напряжения на входе и выходе блока питания
Есть два типа блоков питания: Импульсные (инверторные) и трансформаторные (линейные).
Плюсы и минусы Импульсных и Линейных БП
Отличаются они способом преобразования электричества, размером и КПД.
Схема линейного БП
Трансформаторный блок состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный. После него устанавливается фильтр (конденсатор), сглаживающий пульсации и ряд элементов обеспечивающие стабилизацию выходных напряжений и ряд защит.
Схема импульсного БП
Импульсный блок питания имеет более сложную схемотехнику, но при этом имеет меньшие габариты и большой КПД, поэтому в современных системах используют именно его.
Блок питания без крышки
Чтобы понять как в нём происходит преобразование, нужно начать с самого начала, с разъёма через который поступает высокое, переменное напряжение
Разъем серии IEC 320. (Распиновка)
Два верхних контакта, это фаза и ноль, средний контакт это заземление.
(Разъемы серии IEC 320 (вилка (папа) – в маркировке обозначается IEC C14; или розетка (мама) – обозначается IEC C13)
Если посмотреть на разъём с обратной стороны, то видно что к среднему контакту припаян проводник с металлическим лепестком на конце, который механически соединён с ближайшим винтом.
Заземляющий проводник, назначение
Так выполняется подключение корпуса к контуру заземления.
Навесные элементы на разъёме, это первый блок входного помехопадавляющего фильтра. (ПП-фильтр, ЭМП-фильтр).
Входной фильтр, навесные элементы
Фильтр состоит из двух блоков, первый ставят как можно ближе к разъёму, к источнику помех, так фильтр будет эффективней. Обычно он состоит из нескольких конденсаторов, припаянных к контактам разъёма, для защиты от кондуктивных помех.
Второй блок находится рядом на плате и выполняет более сложную фильтрацию. В минимальном варианте представляет собой дроссель и несколько конденсаторов, включенных параллельно входу и нагрузке.
Схема помехопадавлющего фильтра.
Они так же подавляют кондуктивные помехи, которые возникают в результате работы самого блока питания и приходящие из сети. В этих цепях используются специальные помехопадавляющие конденсаторы, которые разделяются на классы X и Y.
(Конденсаторы (X и Y), во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара)
Большой плёночный конденсатор подавляет дифференциальные помехи, то есть те помехи которые возникают между двумя проводниками цепи.
Конденсаторы (X и Y)
Синфазные помехи которые протекают через паразитные емкости между силовыми шинами питания и землёй, подавляются небольшими керамическими конденсаторами, они соединяют линии питания в общей точке с землей.
Входной фильтр, схема
Синфазный дроссель также создаёт сопротивление для этих помех.
Дроссель, устройство
Синфазный дроссель состоит из двух одинаковых катушек, изолированных друг от друга и намотанных на одном сердечнике. Помехи на проводниках, подключённых ко входу дросселя, встречают высокое индуктивное сопротивление обеих катушек и подавляются.
Многозвеньевый фильтр
В более сложном варианте фильтра, схемы дублируются и добавляются новые, например высокочастотные и низкочастотные фильтры.
(Для корректной работы фильтра необходимо рабочее заземление)
Это важно, так как без входного фильтра, нарушалась бы работа самого блока питания и другой техники, так как импульсный БП является мощным источником импульсных помех.
Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищают предохранителем.
Плавкая вставка (предохранитель)
Он нужен для защиты цепи от короткого замыкания. Его номинал должен зависеть от потребляемой мощности, но в большинство БП ставят 3 или 5-амперные предохранители.
(400 Вт – 2,5 А, 600 Вт-4, 800 Вт – 5 А)
Рядом с предохранителем ставят термистор. Он защищает элементы цепи от бросков тока.
Термистор в БП
При включении импульсного блока питания, происходит резкий скачок тока превышающий рабочие параметры во много раз, для борьбы с броском тока, ставится NTC-термистор, его сопротивление при комнатной температуре велико и импульс при включении гасится об него. В процессе дальнейшего воздействия тока терморезистор нагревается и выходит в рабочий режим, в котором у него низкое сопротивление и дальше на работу цепи он не влияет.
После предохранителя ставят варистор, его устанавливают параллельно нагрузке для защиты цепи от высоковольтных импульсов. При нормальном сетевом напряжении варистор не влияет на работу схемы.
Варистор в БП, нормальное напряжение
При возникновении высоковольтного импульса, варистор резко уменьшает своё сопротивление и ток протекает через него, рассеивая импульс в виде тепла.
Варистор в БП, Высокое напряжение
При длительном перенапряжении, варистор возросшим через него током выжигает плавкий предохранитель, защищая остальные элементы блока питания от повреждения.
(Варисторы обеспечивают защиту высоковольтной части блока питания от всплесков напряжения, а термисторы — от большого тока при включении)
После этого блока отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ).
Диодный мост, схема (Высоковольтный выпрямитель)
Выпрямитель делает из переменного напряжения, постоянное. Состоит он обычно из 4 диодов. Диоды пропускают ток только в одном направлении, при подключении их по мостовой схеме, на выходе получается пульсирующий ток одной полярности. Такую схему ещё называют «диодный мост». Иногда 4 диода можно встретить в одном корпусе, как одну микросхему.
С выхода диодного моста, пульсирующее напряжение подается на емкостной фильтр.
Ёмкостной фильтр
Его реализуют на плате как один или два высоковольтных конденсатора, включённых параллельно нагрузке.
Напряжение с выхода ёмкостного фильтра
Конденсатор запасает энергию на вершинах импульсов пульсаций и отдаёт её в нагрузку при провалах выходного напряжения моста, поэтому после фильтра получается стабильное постоянное напряжение.
Массивный дроссель с конденсатором перед фильтром, это PFC — корректор коэффициента мощности.
Корректор коэффициента мощности (PFC)
Он снижает резкую нагрузку на проводку и предотвращает её нагрев и повреждение. Дроссель препятствует заряду конденсатора на пике входной синусоиде и позволяет при спаде. Если этим процессом управляет отдельная схема на плате или контроллер, то это увеличивает эффективность блока питания и такая коррекция называется активной. В некоторых схемах для более высокой эффективности используют, несколько дросселей.
(APFC или Active PFC, Active Power Factor Correction converter)
После фильтра получившееся выпрямленное напряжение поступает на высокочастотный преобразователь.
Преобразователь (Инвертор)
Он делает из выпрямленного постоянного напряжения высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Делается это обычно двумя мощными транзисторами, которые по очереди открываются и закрываются, их частоту и скважность, задаёт ШИМ-контроллер, путем подачи сигналов на их затворы.
Чем дольше транзистор будет открыт, тем больше он передаст энергии, на первичную обмотку главного трансформатора.
Импульсный трансформатор, устройство
Принцип работы импульсного трансформатора такой же как и у обычного, но работает он на гораздо более высоких частотах, из за чего увеличивается кпд и меньше энергии уходит в тепло, что позволяет заметно уменьшить массу и размер трансформатора, а значит и блока питания в целом.
Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение, которое зависит от количества витков.
Импульсный трансформатор, напряжения со вторичных обмоток
В разных блоках по-разному реализована элементная база, поэтому пример может отличаться, но в основном, со вторичных обмоток импульсного трансформатора, снимаются 12, 5 и 3,3 вольта.
Трансформированные напряжения с обмоток дальше поступают на выходные выпрямители.
Выходной выпрямитель
В отличии от аналога на входе, здесь ток выпрямляется с помощью силовых диодов Шоотки. В каждом таком корпусе находится по два диода, они имеют высокою рабочую частоту и низкое падение напряжения, поэтому именно их используют в качестве выходных (импульсных) выпрямителей.
После, выпрямленные напряжения с диодов поступают на выходной фильтр где сглаживаются конденсаторами и дросселями.
Выходной фильтр, схема, элементы
Обычно используют Г и П-образные LC-фильтры, так как сглаживаются высокочастотные импульсы, то большая мощность конденсаторов и катушек не нужна. Для напряжений 12В и 5В используют дроссель групповой стабилизации. 3,3 вольтовая линия стабилизируется отдельно, дросселем поменьше. Связанный дроссель, на несколько линий ставят для экономии места и уменьшения скачков напряжения при резком изменении нагрузки.
Вторичная цепь, дополнение
Бывают и другие схемы, например есть блоки питания в которых только одна несущая шина, в таких блоках со вторичной обмотки трансформатора снимается только 12 вольт, а напряжения 5 и 3,3 В получают из 12 В, с помощью DC-DC преобразователей, которые распаиваются на небольшой плате. В таких блоках питания выходные напряжения более стабильны.
Чтобы постоянно поддерживать напряжения на должном уровне, при изменении нагрузки. В импульсных блоках питания есть узел стабилизации, который дополнительно является блоком защиты от перегрузки и короткого замыкания. Выполнен узел в виде микросхемы, которая называется супервизор (supervisor).
Узел стабилизации, ШИМ-контроллер, Супервизор
В современных БП супервизор и ШИМ-контроллер объединены в одну микросхему. Она следит за величиной выходных напряжений. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов (Скважность), пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной обмотке БП. Если хотя бы одно из напряжений выйдет за допустимые пределы, то отключится сигнал Power Good, тем самым материнская плата экстренно остановит систему.
Питается этот узел, от отдельного трансформатора, со своим преобразователем.
Дежурный источник питания +5VSB
Даже когда компьютер «выключен», 5В источник дежурного питания обеспечивает работу: часов реального времени, функции пробуждения, а также подает питание на порты USB.
(Он работает все время, пока БП подключен к сети)
Дежурные 5 вольт поступают на материнскую плату через фиолетовый провод.
Цветовая маркировка проводов блока питания
Сигнал что питание в норме(PW_OK, Power Good), через серый. Через зелёный провод отправляется сигнал включения (PS_ON, Power On). Черный — это общий провод, «земля».
Эти провода вместе с линиями 3,3 оранжевыми проводами, 5 вольтовыми красными и 12 вольтовыми жёлтыми образуют главный 24-контактный разъём для питания материнской платы и устройств, подключённых к ней.
Разъём ATX 24 pin
Раньше на 20 и 14 контакт разъёма выводились отрицательные напряжения −5 В белый провод и −12 В синий провод.
Отрицательные напряжение, разъём ATX 24 pin
Они допускали небольшие токи, в современных материнских платах эти напряжения не используются. Поэтому в новых блоках этих проводов нет, либо они просто декоративные
PS-ON, разъём ATX 24 pin
Замыкание зелёного провода на землю (на чёрный провод), включит блок питания без подключения к материнской плате. Так его можно проверить на работоспособность
Накопители, приводы и прочие маломощные устройства питаются отдельно от разъёмов SATA и MOLEX.
Разъёмы SATA и MOLEX
Центральный процессор и видеокарты получают дополнительное питание от отдельных, разборных разъёмов
Разъёмы дополнительного питания
Основная мощность отдаётся через эти разъёмы по 12 вольтовой линии, поэтому важно чтобы сечение проводов было достаточным чтобы выдержать токовую нагрузку.
Сечение проводов
Обычно используют кабели с сечением — 0.5(20AWG) 0.8(18AWG) и 1.3 кв. мм(16AWG). Более толстые провода обладают меньшим сопротивлением, чем тонкие, поэтому меньше греются при увеличении силы тока, необходимой для нормальной работы видеокарт и процессора под нагрузкой.
Выдаваемая сила тока по всем линиям, указывается на наклейке блока питания. На ней так же указывается общая мощность.
Общая мощность
Обычно производители указывают общую мощность которая отдаётся по всем линиям, но нужно обращать внимание на мощность, которую блок питания может выдать по линии 12В, умножив напряжение на силу тока, ведь линии 5В и 3.3В в современных компьютерах практически не нагружены.
Мощность 12В линии
Использование термисторов в источниках питания с отслеживанием температуры
Скачать PDF
Abstract
В этой статье представлено простое, интуитивно понятное руководство по термисторам с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и по их основному использованию в целом и, в частности, в регуляторах электропитания. Хорошим примером применения является их использование для устранения влияния температуры на контрастность ЖК-дисплея. Показаны два простых метода линеаризации термисторов с отрицательным температурным коэффициентом, а процедуры проектирования регуляторов и примеры демонстрируют их применение. Каждый пример включает схему и сравнивает измеренное выходное напряжение в зависимости от температуры с целевым значением.
Регуляторы питанияпо определению предназначены для обеспечения стабильного выходного напряжения, несмотря на изменения в линии (входное напряжение), нагрузку и температуру. В то время как для большинства приложений целью является стабильный выходной сигнал, есть некоторые приложения, где выгодно обеспечить выходное напряжение, зависящее от температуры. В этой статье представлены руководство, процедура проектирования и примеры схем с использованием термисторов с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) в источниках питания с отслеживанием температуры.
Безусловно, наиболее распространенным применением регулирования в зависимости от температуры являются источники смещения для ЖК-дисплеев, где контрастность дисплея зависит от температуры окружающей среды. Применяя зависящее от температуры напряжение смещения, температурные эффекты ЖК-дисплея могут быть автоматически устранены, чтобы поддерживать постоянную контрастность в широком диапазоне температур. Примеры в этой статье ориентированы на решение проблемы смещения ЖК-дисплеев; тем не менее, учебник и расчетные уравнения просты и могут быть легко применены в различных схемах.
Почему термистор NTC?
Термистор NTC обеспечивает почти оптимальное решение для регулирования в зависимости от температуры. Он недорог, легко доступен у различных поставщиков (Murata, Panasonic и т. д.) и доступен в небольших упаковках для поверхностного монтажа размером от 0402 до 1206. Кроме того, имея только базовое понимание, термистор NTC легко применить к вашей схеме.
NTC Характеристика
Как следует из названия, термистор — это просто резистор, зависящий от температуры. К сожалению, зависимость очень нелинейна (см. рис. 1) и сама по себе не очень полезна для большинства приложений. К счастью, есть два простых метода линеаризации поведения термистора.
Рис. 1. Сопротивление термистора NTC сильно нелинейно зависит от температуры. Это затрудняет использование термистора без его применения в линеаризующей сети. (R 25C = 10 кОм, β = 3965 К).
Стандартная формула для сопротивления термистора NTC в зависимости от температуры:
, где R 25C — номинальное сопротивление термистора при комнатной температуре, β (бета) — постоянная материала термистора в K, а T — фактическая температура термистора в градусах Цельсия.
Это уравнение является очень близким приближением к реальной температурной характеристике, как показано на рис. 2. Обратите внимание на использование логарифмической шкалы для оси Y.
Рис. 2. Сопротивление термистора в зависимости от температуры почти линейно на полулогарифмическом графике. Фактическое измеренное сопротивление термистора соответствует формуле Бета с довольно высокой степенью точности. (R 25C = 10 кОм, β = 3965 К).
R 25C и β обычно публикуются в паспорте производителя. Типичные значения R 25C в диапазоне от 22 Ом до 500 кОм. Типичные значения β составляют от 2500 до 5000К.
Как видно на рисунке 3, более высокие значения β обеспечивают повышенную зависимость от температуры и полезны, когда требуется более высокое разрешение в более узком диапазоне температур. И наоборот, более низкие значения β обеспечивают менее наклонную температурную зависимость и более желательны при работе в более широком диапазоне температур.
Рис. 3. Термистор NTC характеризуется устойчивостью к комнатной температуре (R 25C ) и его константа материала β (бета). Бета – это мера наклона температурной зависимости. (R 25C = 10 кОм, β в К).
Самонагрев
Термистор — это резистор, и, как и любой резистор, он выделяет тепловую энергию всякий раз, когда через него проходит ток. Тепловая энергия вызывает уменьшение сопротивления термистора NTC, что затем указывает на температуру, немного превышающую температуру окружающей среды. В спецификациях производителя и примечаниях по применению обычно есть таблицы, формулы и текст, подробно описывающие это явление. Однако на них можно в значительной степени не обращать внимания, если ток через термистор поддерживается относительно низким, так что ошибка самонагрева мала по сравнению с требуемой точностью измерения, как в примерах конструкции в этой статье.
Линеаризация
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом проще всего использовать в цепи линеаризации. Есть два простых метода линеаризации: режим сопротивления и режим напряжения.
Режим сопротивления
В режиме линеаризации сопротивления обычный резистор размещается параллельно термистору NTC, что приводит к линеаризации сопротивления комбинированной цепи. Если номинал резистора выбран равным сопротивлению термистора при комнатной температуре (R 25C ), то область относительно линейного сопротивления будет симметрична относительно комнатной температуры (как видно на рисунке 4).
Рис. 4. Линеаризацию режима сопротивления легко выполнить, поместив обычный резистор параллельно термистору. Если нормальный резистор имеет то же значение, что и R 25C , то область почти линейной зависимости сопротивления от температуры будет симметрична около +25°C. (R 25C = 10 кОм, β в К).
Обратите внимание, что более низкие значения β дают линейные результаты в более широком диапазоне температур, в то время как более высокие значения β обеспечивают повышенную чувствительность в более узком диапазоне температур. Эквивалентное сопротивление варьируется от примерно 90% R 25C при низких температурах (-20°C) до 50% R 25C при комнатной температуре (+25°C) и примерно 15% R 25C при горячих ( +70°С).
Режим напряжения
В режиме линеаризации по напряжению термистор NTC подключается последовательно с обычным резистором, образуя цепь делителя напряжения. Цепь делителя смещена от регулируемого источника питания или опорного напряжения, В REF . В результате выходное напряжение линейно зависит от температуры. Если значение резистора выбрано равным сопротивлению термистора при комнатной температуре (R 25C ), то область линейного напряжения будет симметрична относительно комнатной температуры (как видно на рисунке 5).
Рис. 5. Линеаризацию режима напряжения легко выполнить, подключив обычный резистор последовательно к термистору и сместив полученный резистивный делитель напряжения с источником постоянного напряжения. Если нормальный резистор имеет такое же значение, как R 25C , то область почти линейной зависимости выходного напряжения от температуры будет симметрична около +25°C. (R 25C = 10 кОм, β в К).
Опять же, обратите внимание, что более низкие значения β дают линейные результаты в более широком диапазоне температур, в то время как более высокие значения β дают повышенную чувствительность в более узком диапазоне температур. Выходное напряжение варьируется от почти нуля вольт при низких температурах (-20°C) до В REF /2 при комнатной температуре (+25°C) до почти В REF при горячем (+70°С).
Процедура проектирования
Для создания регулируемого выходного напряжения, линейно зависящего от температуры, к цепи обратной связи регулятора применяется схема линеаризованного термистора.
Режим сопротивления
Схема режима сопротивления является самым простым решением для создания регулируемого выходного напряжения, зависящего от температуры, поскольку цепи обратной связи регулятора почти всегда состоят из резистивного делителя напряжения. Как видно на рисунке 6, линеаризованная схема термистора включена последовательно с одним из резисторов обратной связи. В этом случае линеаризованная схема включена последовательно с верхним резистором цепи делителя обратной связи для создания выходного напряжения с отрицательным температурным коэффициентом при V OUT , как обычно требуется в решениях смещения LCD. (Для создания выходного сигнала с положительным температурным коэффициентом цепь линеаризации должна быть включена последовательно с нижним резистором R2 делителя обратной связи.)
Рис. 6. Схема линеаризованного термистора в режиме сопротивления применяется к цепи обратной связи регулятора напряжения. По сути, он заменяет часть одного из обычных резисторов обратной связи, причем эта часть зависит от требуемого температурного коэффициента на выходе регулятора.
Процедура проектирования относительно проста. Сначала найдите соответствующий ток смещения цепи обратной связи, i2, из таблицы данных регулятора. Обычно он находится в диапазоне от 10 до 100 мкА, и его точное значение может варьироваться. Затем рассчитайте значение термистора NTC как:
, где T C – отрицательный температурный коэффициент V OUT в %/°C. Значение i2 следует регулировать до тех пор, пока R 25C не станет доступным значением термистора NTC.
Для упрощенного расчета конструкции выберите R2 и R1 как:
, где V FB — номинальное напряжение обратной связи, указанное в паспорте регулятора.
Для более точного расчетов конечное значение i2 в конечном итоге будет немного изменено, чтобы согласовать β термистора с желаемым T C . Поэтому рассчитайте сопротивление термистора при 0°C и +50°C. Стандартная формула для сопротивления термистора NTC в зависимости от температуры:
Затем рассчитайте линеаризованное сопротивление при двух температурах следующим образом:
Рассчитать значение R2 и i2 как:
И, наконец, вычислите значение R1 как:
Пример конструкции режима сопротивления
Напряжение смещения ЖК-дисплея необходимо в системе, работающей от одноэлементной перезаряжаемой батареи Li+. Требуемое напряжение смещения V OUT = 20 В при комнатной температуре с T C = -0,05%/°C. Для задачи выбран регулятор MAX1605. Приведенные выше расчетные формулы используются для расчета необходимых компонентов следующим образом:
Согласно техническому описанию, i2 должен быть больше 10 мкА при погрешности выходного сигнала менее 1%; поэтому выберите i2 примерно в пять раз больше для уменьшения ошибки:
Термистор NTC выбирается с R 25C = 20 кОм и β = 3965 К и линеаризуется с параллельным резистором 20 кОм. MAX1605 имеет номинальное напряжение обратной связи V FB = 1,25 В. В соответствии с упрощенными расчетными формулами R2 и R1 рассчитываются как:
При более точном расчете конструкции сопротивление термистора при 0°C и +50°C будет:
Линеаризованные сопротивления при 0°C и +50°C будут:
Затем значения для R2, i2 и R1 рассчитываются как:
В данном случае эти более точные значения существенно не отличаются от полученных с помощью упрощенных расчетов. Окончательную схему можно увидеть на рисунке 7.
Рис. 7. Термистор NTC используется с повышающим преобразователем MAX1605 для реализации примера конструкции режима сопротивления, как описано в тексте.
Выходное напряжение схемы на рис. 7 демонстрирует почти идеальную температурную зависимость, как видно на рис. 8.
Рис. 8. Фактическая температурная зависимость схемы на Рис. 7 очень близка к целевому температурному коэффициенту -0,05%/°C в большей части расширенного диапазона температур потребителя.
Режим напряжения
Несмотря на то, что схема режима сопротивления более сложная, чем схема режима сопротивления, она имеет некоторые уникальные преимущества. Во-первых, схема режима напряжения обеспечивает аналоговое напряжение, зависящее от температуры, которое можно легко преобразовать в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для предоставления информации о температуре микропроцессору системы. Кроме того, температурный коэффициент выходного напряжения регулятора можно легко настроить, изменив значение только одного резистора. Это преимущество позволяет проводить простую разработку методом проб и ошибок в лаборатории, а также может быть очень ценным для использования в производстве термисторов или ЖК-панелей с несколькими источниками.
Как видно на рис. 9, линеаризованная схема термистора смещена опорным напряжением для создания зависящего от температуры напряжения V TEMP . Затем V TEMP суммируется в узел обратной связи через резистор R3, задающий коэффициент усиления температурной зависимости. Чтобы V TEMP не нуждался в буферизации, номинальное сопротивление термистора должно быть значительно ниже R3. Как показано на рис. 9, регулятор имеет выходное напряжение с отрицательным температурным коэффициентом при V OUT , как обычно требуется в решениях смещения LCD. (Чтобы создать выходной сигнал с положительным температурным коэффициентом, необходимо поменять местами R и Rt. )
Рис. 9. Схема линеаризованного термистора в режиме напряжения применяется к цепи обратной связи регулятора напряжения. По сути, он добавляет ток i3 в узел обратной связи, так что i1 = i2 + i3. Если V REF вдвое больше V FB , тогда i3 равно нулю при 25°C, R1 и R2 рассчитываются, как обычно описано в паспорте регулятора, а температурная зависимость может быть скорректирована простым масштабированием R3. Кроме того, В TEMP может быть получен хост-системой через аналого-цифровой преобразователь.
Хотя это и не обязательно, простейшая реализация рисунка 9 — это когда V REF = 2xVfb. (Для удобства многие стабилизаторы имеют V FB = 1,25 В, многие источники опорного напряжения имеют V REF = 2,5 В, а многие АЦП имеют диапазон входного напряжения от 0 до 2,5 В.) Когда V REF = 2xVfb, V TEMP будет равно V FB при +25°C, а i3 будет равно нулю. Это позволяет R1 и R2 установить номинальное выходное напряжение на +25°C независимо от R3 и термистора. Выберите R2 в соответствии с рекомендациями в паспорте регулятора. Затем вычислите R1 и i2 как:
Затем рассчитайте приблизительное значение R3 как:
, где T C – отрицательный температурный коэффициент V OUT в %/°C. (Этого значения R3 будет достаточно для упрощенного расчета конструкции, и оно может быть позже скорректировано экспериментально в лаборатории.) Затем, чтобы избежать необходимости в буферном усилителе между V TEMP и R3, выберите номинальное значение термистора:
Для более точного расчета конечное значение R3 будет немного изменено, чтобы соответствовать термистору β до нужного T C . Для этого сначала рассчитайте сопротивление термистора при 0°C и +50°C. Стандартная формула для сопротивления термистора NTC в зависимости от температуры:
Затем рассчитайте линеаризованное напряжение В TEMP при двух температурах следующим образом:
Более точное значение R3, наконец, дано как:
Пример конструкции режима напряжения
Напряжение смещения ЖК-дисплея необходимо в системе, работающей от батареи Li+. Желаемое напряжение смещения составляет В OUT = 20 В при комнатной температуре с T C = -0,05%/°C. Для этой задачи выбран регулятор MAX629, поскольку он имеет выходное опорное напряжение, которое можно использовать для смещения цепи линеаризации термисторов. Расчетные формулы режима напряжения используются для расчета необходимых компонентов следующим образом:
Согласно техническому описанию, R2 должен находиться в диапазоне от 10 кОм до 200 кОм, а V FB = 1,25 В; поэтому:
Приблизительное значение R3 будет:
Номинальное сопротивление термистора не должно превышать 46,9 кОм. Таким образом, термистор NTC выбирается с R 25C = 20 кОм и β = 3965 K и линеаризуется с последовательным резистором 20 кОм и смещением V REF = 2,5 В.
При более точном расчете конструкции сопротивление термистора при 0°C и +50°C будет:
Линеаризованное напряжение при 0°C и +50°C будет:
Затем рассчитывается новое значение для R3:
В этом случае более точное значение R3 существенно не отличается от значения, полученного с помощью упрощенных расчетов, и следует выбирать ближайший эталонный номинал резистора.
Пример конструкции, когда V
REF ≠ 2xVfbВ приведенном выше примере конструкции с режимом напряжения, если в системе еще нет источника питания V REF = 2,5 В, его добавление может быть непомерно дорогим. К счастью, подойдет любое регулируемое напряжение. В этом примере вывод REF микросхемы MAX629используется и V REF ‘ = 1,25 В. По сравнению с приведенным выше примером, V TEMP теперь будет изменяться в два раза меньший диапазон; следовательно, R3 необходимо уменьшить вдвое до R3′ = 475 кОм, чтобы сохранить тот же температурный коэффициент выходного напряжения T C = -0,05%/°C. Также рекомендуется уменьшить номинал термистора и резистора линеаризации до R = R 25C = 10 кОм. Кроме того, поскольку V TEMP ниже, чем V FB при 25°C, i3 будет ненулевым, а выходное напряжение регулятора будет немного выше желаемого на:
Чтобы устранить это, уменьшите R1 с 375 кОм до:
Окончательную схему можно увидеть на рисунке 10.
Рис. 10. Термистор NTC используется с повышающим преобразователем MAX629 для реализации примера конструкции в режиме напряжения с V REF ≠2xVfb, как описано в тексте. MAX629 был выбран потому, что его вывод REF может использоваться для смещения схемы линеаризации термистора.
Выходное напряжение схемы на рис. 10 демонстрирует почти идеальную температурную зависимость, как показано на рис. 11.
Рисунок 11. Фактическая температурная зависимость схемы на рисунке 10 очень близка к целевому температурному коэффициенту -0,05%/°C в большей части расширенного диапазона температур потребителя.
Аналогичная версия этой статьи появилась в номере журнала EDN от 1 августа 2001 г.
Как использовать термисторы NTC для ограничения пускового тока | Примечание по применению | Техническая библиотека
- ПДФ
- Перекрестная ссылка
Во время включения электронного устройства, такого как импульсный источник питания (SMPS) или инвертор, устройство заряжается мгновенным аномальным током с высоким пиком. Он называется пусковым током и без защиты может вывести из строя полупроводниковый прибор или отрицательно сказаться на сроке службы сглаживающего конденсатора. Термисторы NTC используются в качестве ICL (ограничителей пускового тока) для простой и эффективной защиты цепей электрических и электронных устройств от пусковых токов.
Преимущества термисторов NTC
ТермисторыNTC представляют собой терморезисторы, в которых используется специальная полупроводниковая керамика с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Они имеют высокое сопротивление при комнатной температуре, а когда на них подается питание, они сами выделяют тепло, и сопротивление падает по мере повышения их температуры. Благодаря этому свойству они используются в качестве устройств защиты по току для электрических и электронных устройств, которые легко и эффективно ограничивают аномальные токи, включая пусковой ток во время включения питания. Термисторы NTC, используемые в качестве устройств защиты по току, также называются силовыми термисторами.
Для ограничения пусковых токов можно использовать фиксированное сопротивление или термистор NTC.
Однако постоянный резистор всегда приводит к потере мощности и снижению производительности. Термистор NTC ограничивает пусковой ток своим высоким начальным сопротивлением, а затем его температура повышается из-за подачи питания, а его сопротивление падает до нескольких процентов от его уровня при комнатной температуре, таким образом, потери мощности ниже, чем при постоянном резисторе. использовал. Другими словами, эффект ограничения пусковых токов при использовании термистора с отрицательным температурным коэффициентом выше, чем при использовании постоянного резистора с сопоставимыми начальными потерями мощности.
Ниже приведены подробные сведения о примерах применения термисторов NTC для ограничения пускового тока.
Примеры применения термисторов NTC для ограничения пускового тока
Применение: ограничение пускового тока в импульсном источнике питания
Различные импульсные источники питания (SMPS) — небольшие, легкие и высокопроизводительные — часто используются в качестве источников питания электронных устройств. В момент включения ИИП устройство заряжается пусковым током с высоким пиком для зарядки сглаживающего конденсатора. Поскольку этот пусковой ток может отрицательно сказаться на сроке службы конденсатора, повредить контакты выключателя питания или вывести из строя выпрямительный диод, необходимо принять контрмеры.
Как показано на рисунке ниже, ограничение пускового тока импульсного источника питания за счет установки термистора NTC широко используется как способ создания недорогой и простой схемы ограничения пускового тока в источниках питания. Тот же результат может быть достигнут, даже если термистор NTC подключен после цепи выпрямителя.
Рисунок 1. Ограничение пускового тока в импульсном источнике питания
Применение: ограничение пускового тока в силовом модуле переменного/постоянного тока
Встроенный источник питания с компактно интегрированными различными цепями питания и периферийными цепями называется силовым модулем. Модуль питания переменного/постоянного тока представляет собой блок питания, созданный путем объединения схемы выпрямителя переменного тока в постоянный и преобразователя постоянного тока, и с помощью небольшого количества внешних деталей он может реализовать компактную оптимизированную систему питания. Пусковой ток, подаваемый на входные и выходные конденсаторы во время включения питания, можно эффективно ограничить, вставив термистор NTC (силовой термистор).
Рисунок 2. Ограничение пускового тока в силовом модуле переменного/постоянного тока
Применение: ограничение пускового тока в преобразователе постоянного тока
В цепи питания постоянного тока преобразователя постоянного тока или подобного термистор NTC используется в качестве термистора мощности и эффективно ограничивает пусковой ток, которым заряжаются входные и выходные конденсаторы во время включения питания. Сопротивление термистора NTC становится очень низким после того, как на него подается питание, что обеспечивает меньшие потери мощности, чем при использовании фиксированного сопротивления.
Рисунок 3. Ограничение пускового тока в преобразователе постоянного тока
Применение: ограничение пускового тока в промышленном инверторе
Асинхронные двигателичасто используются для вентиляторов, насосов, кондиционеров и т.