Радио-86РК/Радио 11-86/Блок питания

Данный материал защищён авторскими правами! Использование материала заявлено как добросовестное, исключительно для образовательных некоммерческих целей. Автор: А. КРЫЛОВ Источник: http://retro.h1.ru/RK86/Power/Power1.php

Ни одно электронное устройство не обходится без источника питания. И хотя разработано их великое множество и, казалось бы, давно уже должны бы были появиться универсальные источники, пригодные во всех случаях, этого не произошло до сих пор. Дело в том, что несмотря на кажущуюся простоту, блок питания — это нередко сложное, дорогостоящее и весьма ответственное устройство, которое должно удовлетворять немалому числу жестких, порой противоречивых требований.

К числу наиболее сложных относятся блоки питания ЭВМ. По литературным данным [1], блок питания персонального компьютера среднего класса является одним из самых дорогостоящих узлов, во многом определяющим облик всего изделия. При проектировании таких блоков питания необходимо учитывать специфику питаемых узлов, с особой тщательностью взвешивать то или иное техническое решение, добиваясь оптимального сочетания технических, массогабаритных и стоимостных показателей.

Блок питания компьютера «Радио-86РК» [2], имея много общего с источниками питания широкого применения, должен в то же время обладать и рядом специфических качеств. В первую очередь — максимально возможной надежностью, ведь из-за его неисправности могут выйти из строя довольно дефицитные и дорогостоящие большие интегральные схемы (БИС), а при кратковременных пропаданиях напряжений теряется информация, хранящаяся в ОЗУ. Нужно учитывать и тот факт, что технические условия на некоторые БИС (например на К565РУЗ) рекомендуют вполне определенную последовательность включения и выключения питающих напряжении: первым должно подаваться напряжение −5В (здесь и далее -~ относительно общего провода), а затем +5В и +12В, сниматься же они должны в обратном порядке. Как предельный случай, допускается одновременная подача и снятие всех напряжении. При пропадании одного из них (из-за выхода из строя какого-либо канала или короткого замыкания шин питания) должны сниматься и все остальные.

БИС компьютера чувствительны к превышению максимально допустимых напряжений питания, поэтому желательно принять меры по их защите от перенапряжении. Кроме того, целесообразно предусмотреть токовую защиту — либо от короткого замыкания, либо от превышения максимально допустимого тока.

Надежность блока питания в большой степени зависит от режима работы радиоэлементов, поэтому нужно предусмотреть достаточный запас по допустимым токам и напряжениям. Существенно влияет на надежность температурный режим. При повышении температуры снижается надежность не только полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов), но и других компонентов, в первую очередь — оксидных конденсаторов. Более того, надежность последних с ростом температуры падает быстрее, чем полупроводниковых приборов. С другой стороны, транзисторы и диоды более чувствительны к электрическому режиму, поэтому для них определяющими являются коэффициенты нагрузки по току, напряжению и мощности.

Для конденсаторов (оксидных. прежде всего) наиболее важен температурный режим. Надежность резисторов в основном зависит от коэффициента нагрузки по рассеиваемой мощности. Естественно, заботясь о запасе по наиболее критичному показателю режима, нельзя забывать об остальных, не допуская не только их превышения, но и приближения к ним. Отметим, что снижение рабочей температуры радиоэлементов достигается не только конструктивными мерами (применением эффективных теплоотводов и т. п.), но и схемотехническими средствами, в частности повышением КПД блока питания.

Надежность любого радиоэлектронного прибора при прочих равных условиях зависит от числа элементов. Чем их меньше, тем надежней прибор. С этой точки зрения целесообразность применения разного рода устройств управления, защиты и т. п. нужно тщательно взвешивать. Ведь любое устройство защиты, например. в свою очередь, обладает конечной надежностью, и его использование целесообразно далеко не всегда.

Рассмотрим эту проблему подробнее. Начнем с токовой защиты. Как известно, различают два вида такой защиты: от превышения максимально допустимого тока нагрузки и от короткого замыкания шин питания. Вообще говоря. защита от превышения тока предпочтительнее, но она предполагает включение в силовую цепь датчика тока, на котором в номинальном режиме падает примерно 0,5В (для транзисторного устройства защиты) и рассеивается значительная мощность, а это снижает КПД.

Устройства защиты от короткого замыкания реагируют на снижение выходного напряжения. При коротком замыкании шин питания напряжение на них резко падает, что и приводит к срабатыванию устройства защиты и отключению стабилизатора. Однако с момента замыкания и вплоть до отключения стабилизатора через регулирующий транзистор протекает ток, в несколько раз превышающий номинальный.

Особо нужно отметить, что любое, даже самое совершенное устройство токовой защиты (как от короткого замыкания. так и от перегрузки) срабатывает с задержкой, обусловленной его инерционностью и необходимостью блокировки на время зарядки конденсаторов фильтра и завершения переходных процессов. Поэтому в начальный момент перегрузки ток через регулирующий транзистор возрастает несколько раз. Разумеется, если речь идет о защите от превышения тока, величина перегрузки и её продолжительность меньше, чем при использовании защиты от короткого замыкания.

Не проще обстоит дело и с защитой от перенапряжений (увеличения выходного напряжения сверх максимально допустимого). По сложности такое устройство почти не уступает самому стабилизатору, так как обязательно содержит источник образцового напряжения, компаратор и исполнительный элемент. Следовательно, его надежность соизмерима с надежностью стабилизатора, что не может не снизить общую надежность. Но дело не только в этом. Порог срабатывания устройства защиты от перенапряжений всегда выше максимально допустимого выходного напряжения, а значит, нет полной гарантии, что БИС не выйдут из строя из-за его превышения. Кроме того, в силу инерционности устройство не peaгирует на очень кратковременные всплески напряжения, а они вполне могут успеть вывести БИС из строя. В то же время нельзя совсем исключить ложные срабатывания такого устройства защиты от наводки или импульсной помехи, приводящие к обесточиванию компьютера и пoтepe хранящейся в нём информации. Рассматривая целесообразность введения защиты от перенапряжений, нужно учитывать вероятность и характер аварийного повышения выходного напряжения стабилизатора. Оно может выйти за установленный предел либо при нарушении режима стабилизации, либо при пробое регулирующего транзистора. Несомненно, что вероятность подобной аварии можно свести к минимуму повышением надежности самого стабилизатора напряжения.

Следует также иметь в виду, что в правильно спроектированном стабилизаторе с непрерывным регулированием разница между выходным н входным напряжениями не превышает нескольких вольт, тогда как в стабилизаторах с импульсным регулированием напряжение выпрямителя в 2…3 раза выше выходного. При пробое регулирующего транзистора стабилизатора с импульсным регулированием напряжение питания возрастет в несколько раз, что неизбежно выведет из строя компьютер, а при аварии стабилизатора с непрерывным регулированием — на те же несколько вольт, да и вероятность пробоя регулирующего транзистора в таком стабилизаторе ниже.

Таким образом, можно сделать вывод, что в стабилизаторах напряжения с импульсным регулированием применение устройств защиты от перенапряжении оправдано, а в стабилизаторах с непрерывным регулированием, по мнению автора, достаточно ограничиться мерами по повышению общей надежности блока питания. Единственное, что, возможно, имеет смысл сделать, — это включить на выходах стабилизаторов стабилитроны средней мощности Д815А (в каналах +5 и −5В) и Д815Е (в канале 12В), подобрав в первом случае экземпляры с напряжением стабилизации 5,5…6 В. При аварии стабилитроны ограничат бросок выходного напряжения.

Как известно, для компьютеров, подобных «Радио-86РК», допустимы пульсации питающих напряжений амплитудой несколько десятков милливольт, что без особых затруднений обеспечивают даже самые простые стабилизаторы. Однако нужно учитывать, что амплитуда пульсаций выпрямителя влияет на их КПД. В самом деле, минимальное входное напряжение стабилизатора Ubхm=Uвыхm + (Uper + Uпульс где Uвых максимальное выходное напряжение стабилизатора, AUpег — минимально допустимое падение напряжения на регулирующем транзисторе, Uпульс — амплитуда пульсаций. КПД стабилизатора можно приближенно считать равным отношению выходного и входного напряжений:

UВыхм/Uвхм.

Очевидно, что уменьшение составляющей UВыхм ведет к повышению КПД стабилизатора, снижению тепловыделения его элементами и повышению надежности, поэтому весьма желательно снижать пульсации выпрямителя до 0,3..0,5В.

В блоках питания ЭВМ нередко принимают специальные меры по организации бесперебойного питания, так как даже кратковременное пропадание напряжений ведет к нарушению их нормальной работы. Однако бесперебойное питание дается дорогой ценой: резко возрастают масса и габариты блока питания за счет используемых в качестве буфера аккумуляторов или накопительных конденсаторов. Несложный расчет показывает, что при перерывах в питании более 1 с для «Радио-86РК» необходим накопительный конденсатор емкостью примерно 1Ф. Установка такого буфера автору представляется нецелесообразной, однако если качество осветительной сети невысоко, емкость накопительных и фильтровых конденсаторов желательно увеличить.

Обобщая сказанное, можно сформулировать следующие требования к блоку питания компьютера «Радио-86РК». Он должен обеспечивать на выходе напряжения −5В при токе нагрузки 0…0,1А (первый канал), +12В при токе 0…0,2А (второй канал) и +5В при токе 0-1А (третий канал). Органы регулировки должны обеспечивать изменение выходных напряжении в пределах 10 %. Все каналы должны быть защищены от коротких замыканий, а третий, кроме того, должен иметь защиту от перегрузки по току о с порогом срабатывания 1,25..1,5A. При включении напряжение −5В должно подаваться на компьютер первым, при выключении все напряжения должны сниматься одновременно. В случае пропадания любого из напряжений все остальные должны сниматься автоматически. Наконец, надежность блока питания должна быть максимально возможной.

Принципиальная схема возможного варианта блока питания, полностью удовлетворяющего названным требованиям, изображена на рис.1. За основу взят хорошо зарекомендовавший себя двуполярный стабилизатор напряжения, описанный в [3]. Выпрямители всех каналов — однофазные мостовые и особенностей не имеют. Первый канал стабилизатора (-5В) включают в себя транзисторы VT5-VT7, стабилитрон VD15. диоды VD16 и VD19, резисторы R13-R16 и конденсатор С10, второй канал (+12В) транзисторы VT8-VT10, стабилитрон VD20, диод VD21, резисторы R19-R22 и конденсатор С12. На тринисторе VS1, диоде VD18, резисторах R17, R18 и конденсаторе С11 собран узел запуска.

Особенностью этой части блока питания является то, что стабилитрон первого канала (VD15) подключен к выходу второго, а стабилитрон последнего (VD20) — к выходу первого. Благодаря этому, при пропадании напряжения одного из каналов обесточивается стабилитрон другого канала, и его выходное напряжения также уменьшается до нуля.

Узел запуска обеспечивает гарантированное включение первым канала напряжения −5 В. Работа этого устройства подробно описана в [3], здесь же отметим только, что введение конденсатора С11 и диода VD19 улучшило условия включения первого канала и предотвратило протекание запускающего тока через нагрузку второго, направив его полностью в цепь стабилитрона VD15. После установления выходного напряжения второго канала (+12В) тринистор VS1 открывается и узел запуска отключается от стабилизаторов, не оказывая в дальнейшем никакого влияния на их работу.

Стабилизатор напряжения третьего канала (+5В) состоит из операционного усилителя DA1, составного регулирующего транзистора VT1IVT2, транзистора защиты от перегрузки по току VT3, cтaбилитpoнa VD5, диода VD6, резисторов R1-R9 и конденсаторов С3-С5. По отношению к стабилизатору первого канала он является следящим (напряжение −5В служит для него образцовым). При пропадании напряжения −5В выходное напряжение третьего канала также снижается до нуля. ОУ DA1 питается выходными напряжениями первых двух каналов. Устройство защиты от токовой перегрузки собрано по традиционной схеме. При увеличении падения напряжения на резисторе R6 примерно до 0,65В часть базового тока транзистора VT2 начинает ответвляться в коллекторную цепь транзистора VT3. В результате: ток через транзистор VT1, а следовательно, и выходное напряжение стабилизатора уменьшаются. При дальнейшем снижении выходного напряжения (из-за уменьшения сопротивления нагрузки) открывается стабилитрон VD5, транзистор VT3 входит в режим насыщения, и регулирующий составной транзистор VT1VT2 закрывается. Остаточный ток стабилизатора не превышает нескольких миллиампер (полностью закрывать регулирующий транзистор нецелесообразно, так как при этом затрудняется запуск стабилизатора).

Описанное соединение стабилизаторов обеспечивает приоритетное включение напряжения −5В. (Можно было, конечно, обеспечить и его выключение последним, но это привело бы к неоправданному усложнению схемы). При выключении блока питания все три напряжения уменьшаются практически одновременно. Задержать спад любого из них можно (при необходимости) увеличением емкости соответствующего выходного конденсатора (С5) С10 или С12).

Аварийное выключение стабилизаторов при пропадании напряжений во втором и третьем каналах обеспечивает логический узел, собранный на микросхеме DD1 При резком уменьшении напряжений на выходах этих каналов (вследствие короткого замыкания или неисправности) уровень логической 1 на выходе элемента DD1.2 сменяется уровнем 0, транзистор VT7 закрывается, к выходное напряжение стабилизатора первого канала падает до нуля. А так как именно последний является ведущим для двух других, выключаются и они. Повторное включение блока питания возможно после отключения его от сети примерно на 10 с.

Логический узел питается от простейшего параметрического стабилизатора на транзисторе VT4 н стабилитроне VD17. При включении блока питания работа логического узла блокируется на время зарядки конденсатора С9, что необходимо для надежного включения стабилизаторов. Выходные напряжения регулируют подстроечными резисторами R15 (-5В), R21 (+12В) и R8 (+5В). Следует помнить, что эти регулировки взаимозависимы. поэтому вначале необходимо установить напряжение −5В, после этого +12В, затем снова −5В и, наконец. +5В. Введение подстроечных резисторов практически не увеличило нестабильности выходных напряжении, так как сами стабилитроны VD15 и VD20 питаются стабильными напряжениями.

Технические характеристики стабилизаторов достаточно высоки. Например, минимальное падение напряжения на регуляторе, при котором сохраняется режим стабилизации, составляет (без учета пульсации) примерно 1В в каналах −5В и +12В и приблизительно 1,5В в канале +5В (около 0,4В падает на датчике тока R6), что с учетом всех возможных нестабильностей позволяет использовать выпрямители с номинальными напряжениямн 7,5; 8 и 15В при амплитуде пульсации 0,5 и 1В соответственно.

При разработке блока приняты меры по «пассивному» повышению его надежности: транзисторы и выпрямительные диоды выбраны с большим запасом по току, напряжению и мощности. Диоды VD6, VD16 и VD21 предохраняют стабилизаторы от попадания напряжений обратной полярности, которые могут возникнуть при переходных процессах, а также при аварии. Как уже отмечалось, вместо диодов можно включить стабилитроны, которые обеспечат защиту как от превышения напряжения, так и от напряжений обратной полярности.

А. КРЫЛОВ

Г. Москва

1. Современный компьютер. Сборник научно-популярных статей. Перевод с английского под редакцией канд. физ. -мат. наук В. М. Курочкина. — М.: Мир, 1986.
2. Горшков Д., Зеленко Г., Озеров Ю., Попов С. Персональный радиолюбительский компьютер «Радио-86РК».- Радио, 1986, № 6. с. 26 — 28.
3. Лукьянов Д. Простой двуполярный стабилизатор. — Радио, 1984, .№ 9, с. 53 — 54.