 |
РУБРИКИ |
Блок питания мониторов |
РЕКЛАМА |
||
|
Блок питания мониторовБлок питания мониторов2 Министерство Образования и науки Республики Казахстан Южно-Казахстанский политехнический колледж Специальность: 3703 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" Расчетно-пояснительная записка Учащийся: Ниязметов. Группа: 472 Руководитель курсового проектирования: Элиадзе Ю.А. 2010 г. Содержание
NUTEK (The National Board for Industrial and Technical Development in Sweden) - шведский совет по промышленному и техническому развитию требует точно определенной трехступенчатой процедуры энергосбережения. В соответствии с требованиями NUTEK потребление энергии неработающим монитором не должно превышать 8 Вт, в режиме STANDBY 30 Вт, выключено (POWER OFF) - 15 Вт. MPR-II - простейшая из норм шведского Совета по измерительной технике и испытаниям, ограничивает максимальный уровень электрических и магнитных полей. TUV - организация в Германии TUV, по договору с изготовителем проводит экспертизу технической, электрической и пожарной безопасности, а также испытания на соответствие нормам MPR-II и некоторым ISO-стандартам. TCO (Tjanstemannes Central Organization) - шведский профсоюз служащих. Его целью является ежегодная разработка и внедрение обновленных стандартов безопасности на рабочих местах, связанных с электронной обработкой данных. Хотя ТСО и не является международным стандартом, тем не менее его придерживаются почти все производители электронного оборудования. Стандарт распространяется на четыре области: эргономику, потребление энергии, излучение, экологию. В эргономике устанавливают требования к яркости и контрастности изображения, ограничению мерцания, минимизации отражения света. Так, в соответствии с ТСО-99, частота повторения кадров должна быть не менее 85 Гц (ТСО-95: 75 Гц), распределение яркости 1,5: 1 (ТСО-95: 1,7: 1), свечение экрана по всему изображению 100 кд/кв. м. Требования энергопотребления: 15 Вт в режиме ожидания (STANDBAY), (ТСО-95: 30 Вт); 3 Вт в режиме выключения (OFF), (ТСО-95: 5 Вт), максимальное время возвращения устройства из режима STANDBAY в рабочий режим ограничено 3 с. Электромагнитное излучение: при измерении на расстоянии 30 см в полосе частот 5 Гц...2 кГц напряженность переменного электрического поля должна быть не более 10 В/м, индукция переменного магнитного поля не более 200 нТл; в полосе частот 2...400 кГц напряженность не более 1 В/м, индукция - не более 25 нТл. Экология. В процессе изготовления запрещено использование летучих углеводородов и других веществ, наносящих вред озоновому слою, а также растворителей, содержащих хлор, следует избегать использования тяжелых металлов. Корпуса мониторов не должны содержать вещества, имеющие в своем составе хлор или бром, при горении которых могут выделяться оксины или фураны, пластмассовые детали массой более 5 г должны иметь ассортиментный код и т.д. CENELEC - европейская организация по стандартизации в электротехнике (European Committee for Electrotechnical Standardization). Организация отвечает за стандарты по безопасности и электромагнитному излучению электрического оборудования в ЕЭС. IEC555 - стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК), устанавливает максимальную величину гармонических искажений, которые компьютерное оборудование может вносить в потребительскую сеть переменного тока. Источники питания мониторов, удовлетворяющие IEC555, обладают коэффициентом мощности, близким к единице. EN61000-3-2 - стандарт, предназначенный для разработчиков источников питания с коррекцией коэффициента мощности, устанавливает пределы интенсивности гармонических составляющих потребляемого тока со второй по сороковую гармоники, распространяется на устройства с потребляемой мощностью, превышающей 75 Вт. 2. Особенности построения источников питания мониторовКак отмечалось, в мониторах применяются импульсные источники питания, выходные напряжения которых получаются путем выпрямления сетевого напряжения, преобразования его в напряжение повышенной частоты, трансформации, выпрямления и последующей фильтрации.Существуют две основные схемы исполнения этих источников: блокинг-генератор и внешний маломощный генератор, управляющий однотактным преобразователем с обратным включением выпрямительного диода (обратно относительно напряжения выходной цепи), который в литературе чаще называют обратноходовым (FLYBACK).С целью поддержания выходных напряжений постоянной величине, в схемах источников питания производится модуляция управляющих импульсоврегулирующим элементом. Если при регулировании изменяется как частота, так и длительность импульсов (коэффициент заполнения к=т/Т, здесь т - длительность импульса, а Т - период повторения импульсов), то реализован принцип частотно-импульсной модуляции ЧИМ (VFM - Variable. Frequency Modulation).При изменении только лишь длительности импульсов управления говорят, что осуществляется так называемая широтно-импульсная модуляция ШИМ (PWM - Pulse Width Modulation).В схеме с блокинг-генератором чаше всего реализовано частотно-импульсное регулирование, в схеме же обратноходового преобразователя с внешним возбуждением выполняется широтно-импульсное регулирование.Упрощенная схема автоколебательного блокинг-генератора в обратноходовом преобразователе приведена на рис.1. а.Основу блокинг-генератора составляют транзистор Q и трансформатор Т1. Цепь положительной обратной связи образована вторичной обмоткой трансформатора, конденсатором С и резистором R, ограничивающим ток базы. Резистор Ra создает контур разряда конденсатора на этапе закрытого состояния транзистора.Диод D исключает прохождение в нагрузку RH импульса напряжения отрицательной полярности, возникающего при запирании транзистора. Ветвь, состоящая из диода D1, резистора R1 и конденсатора С1, выполняет функцию защиты транзистора от перенапряжения в коллекторной цепи.Работа схемы автоколебательного блокинг-генератора поясняется временными диаграммами рис.1. б... .I. e.При включении питания конденсатор С разряжен (Uc=0), через транзистор протекает небольшой ток базы, приводящий к заряду конденсатора С.Наличие положительной обратной связи, обеспечивающейся соответствующим включением базовой обмотки трансформатора Т1, приводит к лавинообразному процессу увеличения базового и коллекторного токов транзистора Q.Процесс продолжается так до тех пор, пока транзистор не перейдет в процесс насыщения (момент t2, рис.1. б). В режиме насыщения происходит уменьшение базового тока i6 и рост тока намагничивания i" (рис.1. д), вызванного намагничиванием сердечника трансформатора.Рис.1. Автоколебательный блокинг-генератор а) принципиальная схема б)... е) временные диаграммыВ некоторый момент времени (t3, рис.1. д) базовый ток уменьшается настолько, что транзистор выходит из режима насыщения иколлекторный ток ik уменьшается.Действие обратной связи приводит к запиранию транзистора. В этот период происходит разряд конденсатора и рассеивание энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора.В закрытом состоянии транзистора коллекторная обмотка импульсного трансформатора отключена от источника питания, а его нагрузочная обмотка отключена от сопротивления R" диодом D.Относительно напряжения на коллекторной обмотке диод D1 включен в прямом направлении.При этом считается, что ток намагничивания переводится из цепи коллектора в демпфирующую цепь D1, Rl, C1, где и происходит рассеивание энергии, накопленной трансформатором.В момент, когда при разряде конденсатора напряжение ибэ станет равным нулю, транзистор открывается и начинается формирование следующего импульса.Благодаря малой мощности управления, высокой скорости переключения, при которой резко снижаются динамические потери в ключевых схемах, большей чем у биполярных транзисторов надежности, в источниках питания мониторов с высоким коэффициентом полезного действия нашли широкое применение полевые транзисторы.Упрощенная схема типового обратноходового преобразователя на n-канальном МДП транзисторе приведена на рис.2. а.Элементами схемы преобразователя являются: источник питания Ес, импульсный трансформатор Т1; ключевой транзистор Q; демпфирующие цепочки: последовательная Dl, Rl, C1 и параллельная D2, С2, R2 ключу; резистивный датчик тока R4; ограничительный резистор в цепи затвора R3.Диод D3 (выпрямительный), фильтры (емкостной на конденсаторе С4 и индуктивно-емкостной LI, C5), снижающие уровень помех, излучаемый импульсным выпрямителем D3, образуют вторичную цепь преобразователя.При открытом транзисторе Q, в течение длительности сигнала управления т, в первичной обмотке трансформатора происходит накопление энергии, выпрямительный диод D при этом заперт.Ток первичной обмотки нарастает по линейному закону (рис.2. б), определяемому значением ее индуктивности.После запирания транзистора, накопленная трансформатором Т1 энергия поступает в нагрузку и заряжает конденсатор фильтра С4.При выключении на стоке транзистора возникает значительный бросок напряжения (рис.2. в), определяемый суммой значений самоиндукции индуктивности нагрузки и напряжения источника питания, который, если не принять специальных мер, может привести транзистор к пробою.Обычно, величину броска стараются ограничивать значением Ukm=2En.Защита перехода сток-исток транзистора Q от превышения максимального напряжения допустимого значения осуществляется диодно-конденсаторной цепью Dl, C1 и рассеивающим резистором R1.Такая цепь может быть подключена как последовательно, так и параллельно транзистору.Очень часто в схемах встречается, когда оба варианта включения цепи используются одновременно, как это показано на рис. 2. а.Рис.2. Обратноходовой преобразователь на МДП-транзисторе: а) принципиальная схема; б) временная диаграмма тока; в) временная диаграмма напряжения стокаСтруктурная схема типового импульсного источника питания монитора представлена на рис. 3л.В ней кроме выпрямителя напряжения сети ВНС и низкочастотного фильтра Ф, содержатся элементы, характерные для импульсного устройства питания на основе ШИМ: задающий генератор ЗГ, формирователь пилообразного напряжения ФПН, широтно-импульсный модулятор ШИМ, усилитель сигнала рассогласования УСР, компаратор К, источник опорного напряжения ИОН, импульсный преобразователь ИП, импульсный трансформатор ИТ, выпрямитель импульсного напряжения ВИН.На вход импульсного преобразователя поступают управляющие сигналы прямоугольной формы с частотой задающего генератора, длительность которых зависит от величины нагрузки и изменения входного напряжения сети. Момент появления (передний фронт) управляющего сигнала определяется началом импульса задающего генератора.Рис. 3. Типовой импульсный источник питания: а) структурная схема; б) временные диаграммы, поясняющие принципы управления по напряжению ошибки; в) временные диаграммы, поясняющие принцип токового управления.Длительность управляющего импульса определяется моментом достижения максимального сигнала датчиком тока ДТ порогового уровня,установленным выходом усилителя сигнала рассогласования.При отсутствии отклонения параметров выходного и входного напряжения от номинальных значений длительность управляющих сигналов соответствует определенной длительности т (рис.3. б), на рис.3.6 показано влияние отклонения напряжения в нагрузке на длительность управляющего импульса и фиксированном значении сигнала датчика тока. На рисунке можно заметить, что при отклонении выходного напряжения от номинального значения на величинуцепь обратной связи изменяет длительность управляющего сигнала на величину . Напряжение на выходе усилителя обратной связи определяется сравнением выходного напряжения с датчика обратной связи и опорного напряжения :Так, например, при уменьшении выходного напряжения уменьшается , что приводит к увеличению , а, соответственно, к увеличению длительности управляющего импульса (см. рис.1.3 б). Следовательно, выходное напряжение увеличивается, т.к.где п - коэффициент трансформации импульсного трансформатора. Рассмотрим работу цепи управления по - сигналу датчика тока при неожиданном увеличении тока стока.При этом в импульсном трансформаторе ИТ происходит накопление дополнительной энергии, которая привела бы к пропорциональному увеличению выходного напряжения.Однако, увеличение падения напряжения на датчике тока ДТ приводит к тому, что достижение порогового уровня происходит по времени раньше момента ty, соответствующего заднему фронту управляющего сигнала, что в свою очередь приводит к уменьшению его длительности х (см. рис.3. в) и, соответственно, компенсирует возможное увеличение выходного напряжения. Как видно из принципа работы, управление по току носит опережающий характер.Одной из важных задач сетевых блоков питания является ограничение тока зарядки входного конденсатора низкочастотного фильтра в связи с тем, что режим запуска преобразователя близок к режиму короткого замыкания.При этом зарядный ток конденсатора при подключении его непосредственно к сети может достигать несколько десятков-сотен ампер.Здесь существует две опасности, одна из которых заключается в выходе из строя диодов низкочастотного выпрямителя, вторая - износ электрических фольговых конденсаторов входного низкочастотного фильтра при протекании больших токов через обкладки.Для устранения не желательных эффектов заряда входного конденсатора низкочастотного фильтра является применение терморезисторов (с отрицательным ТКС), включаемых последовательно в цепь зарядки конденсатора.Принцип ограничения тока основан на нелинейных характеристиках этих элементов. Терморезистор имеет значительное сопротивление в "холодном" состоянии, но после прохождения пика зарядного тока резистор разогревается и его сопротивление становится в 20...50 раз меньше. В номинальном режиме работы оно останется низким. Очевидны преимущества этой схемы ограничения: простота и надежность.Конструктивно источник питания, обычно, включает два самостоятельных источника: основной и вспомогательный, первый (основной) из них функционирует и обеспечивает работу монитора в полностью включенном состоянии, второй (маломощный) переводит монитор в так называемый "режим энергосбережения" (POWER OFF) - малого потребления электроэнергии. Включение указанного режима организовывается сигналами микропроцессора управления режимами. В источнике может быть использован корректор мощности. 3. Коррекция коэффициента мощностиВ некоторых случаях применение пассивной фильтрации для уменьшения уровня паразитных гармонических составляющих в питающей сети оказывается недостаточным.Этот способ борьбы с индустриальными помехами характеризуется большими габаритами, узким диапазоном защиты по частоте (некоторые старшие гармоники все же просачиваются), входному напряжению и нагрузке.Достаточно эффективным способом решения этой задачи является применение активных корректоров коэффициента мощности.Рис.4. Работа выпрямителя на фильтр с емкостной нагрузкой: а) упрощенная принципиальная схема; б) временная диаграммы выпрямителя.Под коэффициентом мощности понимают величину, равную отношению активной мощности Р электрической цепи переменного тока к полной мощности S этой цепи. Условное обозначение - cos,, = P/S.Угол ф является углом сдвига тока и напряжения электрической сети, его источником является реактивная мощность, потребляемая по сети переменного тока и нагружающая питающую сеть, что, в свою очередь, приводит к дополнительному нагреву сетевых проводов.Работа выпрямителя на емкостную нагрузку (фильтр, преобразователь) приводит к отставанию тока от напряжения (рис.4), искажению формы электрического тока (отличию его от синусоидальной), что, естественно, сопровождается порождением нежелательных паразитных гармоник, которые и распространяются по питающим проводам (величина коэффициента мощности в этой схеме находится в пределах 0,5...0,7).Очевидно, что, обеспечив многократный подзаряд фильтрового конденсатора в течение полуволны выпрямленного напряжения, можно уменьшить величину угла (р (рис.5. а), 1зар, IpaJp на рисунке - это токи заряда и разряда конденсатора фильтра С соответственно.Рис. 5. Работа активного корректора коэффициента мощности: а) упрощенная схема корректора мощности; б) временные диаграммы.Реализация этого подхода осуществляется следующей упрощенной схемой (рис.5. б): во время открытого состояния ключа Q (MOSFET) ток через дроссель линейно нарастает, диод D закрыт, а конденсатор С2 в этот момент разряжается в цепь нагрузки RH, в дросселе L происходит накопление энергии. Затем, транзистор запирается, напряжения на дросселе достаточно для открывания диода D и заряда конденсатора С2. Конденсатор С1, как правило, малой емкости и служит для фильтрации высокочастотных помех, которые возникают при работе ключа на частоте 50...100 кГц.Управление ключом осуществляется специальным устройством управления УУ, которое синхронизирует эту работу.4. Элементная база, используемая в источниках питанияСхемотехника источников питания мониторов достаточно разнообразна, однако, наибольшее распространение получили преобразователи на базе микросхем ШИМ-регуляторов с опережающим токовым регулированием серии UC3842/43, и ее аналогов - КА3842/82, DBL3842, SG3842.По-видимому, это связано с простотой управления и применения (требует минимального числа внешних радиоэлементов).Микросхема содержит цепи точного формирования длительности цикла управления (до 96%), температурно компенсированный источник опорного напряжения (0,2 мВ/°С), усилитель ошибки с высоким коэффициентом усиления (до 90 дБ в разомкнутой цепи), тотемный выход для управления ключом на полевом транзисторе (выходной ток до I А).В источниках питания мониторов Panasonic применяется микросхема M62281FP аналогичного назначения, а в последнее время в мониторах SAMSUNG - микросхема управления двухтактным квазирезонансным преобразователем МС34067.Сравнительная характеристика микросхем по типовым параметрам приведена в табл.2.Таблица 2. Сравнительная характеристика микросхем ШИМ-регуляторов
Особенностью микросхем данного типа является наличие релейного режима энергосбережения (SMPS - switching mode power supply), который обеспечивается наличием триггерного включения и выключения питания, т.е. источник питания включается (выключается) при превышении (уменьшении) напряжения питания некоторого установленного напряжения порога. В этом режиме источник питания выключается при уменьшении питающего напряжения в аварийных режимах работы монитора. Типовая зависимость потребляемого тока микросхемы от ее напряжения питания приведена на Рис.6. В режим малого потребления энергии микросхема переводится путем перегрузки по одному из выводов питания (опорному или непосредственно питания). Рис. 6. Зависимость потребляемого тока микросхем от напряжения питания (VC3842, MOTOROLA) В качестве ключевых элементов преобразователей нашли широкое применение мощные полевые транзисторы MOSFET. Современные транзисторы данного класса обладают неплохими электрическими и частотными характеристиками (ввиду отсутствия не основных носителей частота переключения их гораздо выше биполярных). Максимальное значение напряжения сток-исток транзистора определяется суммой двойного выпрямленного напряжения сети и напряжения перехода. Значение напряжения перехода зависит от индуктивности рассеяния трансформатора преобразователя и емкости гасящего конденсатора в цепи стока. Как правило, минимально-необходимое напряжение сток-исток транзистора, работающего в преобразователе, питаемого от сети 220/240 В, составляет 800 В. Следует отметить, что наряду с указанными, в источниках питания применяется ряд микросхем серии STR различного функционального назначения, как правило, содержащих мощный ключевой биполярный транзистор. В некоторых случаях, для источников с транзисторами этого класса индуктивность рассеяния трансформатора значительна и напряжение на коллекторе транзистора может превышать 1000 В, поэтому использование транзисторов с более высоким значением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер считается более предпочтительным. Применение универсальных переключателей входного напряжения этой же серии (типа STR81145, STR83145 и др.) позволяет расширить допустимый диапазон входного переменного напряжения при эксплуатации монитора. Наличием высокой частоты работы преобразователя объясняется использование специальных элементов, допускающих работу при повышенных частотах и температурах. Вследствие этого, в качестве выпрямительных используются диоды Шоттки с малым падением напряжения в прямом направлении (0,2...0,3 В для кремниевых диодов) и конденсаторы с малыми потерями, допускающими работу при высоких температурах. Отличительной особенностью источников питания является широкое применение элементов защиты, специально предназначенных для подавления перенапряжения, возникающего в переходном процессе. Кроме описанных элементов защиты в п.1.2, этот эффект достигается включением в управляющих электродах: коммутационных цепей (ключевых транзисторов, тиристоров и т.п.), диодов TRANSIL, TVS (transient voltage suppressor - подавитель напряжений переходных процессов). В отличие от варисторов, также используемых для этих целей, диоды TRANSIL являются более быстродействующими, их время срабатывания составляет несколько пикосекунд. Функционирование диодов этого типа всегда приводит к ограничению сигнала уровнем напряжения фиксации (рис.7), вызванного волной перенапряжения. Рис. 7. Вольт-амперная характеристика диода TRANSIL а) обозначение на принципиальной схеме; б) ВАХ диода На рисунке приняты следующие обозначения Umaxo (пиковое обратное напряжение) максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течение длительного времени ток не вызывает выхода из строя защищаемого компонента, Unp - пробивное напряжение, т.е. напряжение, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения, Uorp - напряжение фиксации (ограничения), Unp - падение напряжение на диода при смещении перехода в прямом направлении, Io6p max - максимальное допустимое значение тока в рабочем режиме, 1пр шх - максимальный прямой ток диода, - значение тока в рабочем режиме, соответствующее, В тексте описаний принципиальных схем ввиду близости свойств, ВАХ и принципа функционирования эти диоды названы в некоторых случаях стабилитронами или просто диодами. 5. Методика ремонта типового источника питанияИсточник питания монитора представляет собой сложное радиоэлектронное устройство, ремонт которого необходимо осуществлять, точно представляя его работу и владея навыками нахождения и устранения дефектов.При ремонте рекомендуется комплексное использование всех доступных способов поиска неисправностей.Необходимо помнить, что источник импульсного питания не работает без нагрузки, подсоединять его к сети нужно через развязывающий трансформатор, что не работоспособность источника может быть связана со схемой управления режимами монитора.Ремонт следует начинать с внешнего осмотра ремонтируемого устройства в выключенном состоянии, при котором необходимо обращать внимание на исправность предохранителя и любое изменение внешнего вида элементов схемы (цвета корпуса).При определении неисправного элемента следует обратить внимание на исправность всех элементов, которые подключены к этой цепи. Ремонт следует проводить технически исправными приборами, с использованием низковольтных паяльников, питающихся через разделительный трансформатор.Следующий этап - подбор аналога в случае отсутствия идентичного прибора и его замена. Наиболее сложен этот процесс для МДП транзисторов.Следует иметь в виду, что неправильный подбор этих транзисторов по времени переключения приводит к снижению надежности работы устройства еще и по динамическим перегрузкам.Отсутствие точного аналога приводит к необходимости внесения изменений во входной и корректирующих цепях.Кроме привычных параметров транзистора MOSFET: максимальное напряжение на стоке, максимальный ток стока, максимальная рассеиваемая мощность Рмакс и крутизна S, при замене транзистора следует помнить, что скорость переключения транзистора зависит от постоянной времени цепи затвора. Эта постоянная определяется из формулы:здесь - ограничительный резистор цепи затвора, а- входная емкость,где Сзи - входная емкость транзистора, Re - сопротивление нагрузки в цепи стока, Сзс - проходная емкость,S - крутизна прибора.Увеличение этой постоянной приводит к увеличению потерь в транзисторе и, как следствие, снижению надежности.При несоответствии значений входной и проходной емкостей у подобранного аналога постоянную времени входной цепи можно в значительной мере скомпенсировать подбором ограничительного резистора Rorp.При замене транзистора обязательной проверке рекомендуется подвергать соответствие напряжения на стоке значению, указанному на принципиальной схеме. При большем значении напряжения следует изменить параметры цепи демпфирования (цепь R1, О рис.1.2 а), например, увеличением емкости и соответствующим изменении резистора так, чтобы постоянная времени этой цепи осталась постоянной. 6. Источники питания на микросхемах КА3842, STR17006, STR81145Для источников питания данного типа характерно наличие универсального переключателя входной выпрямительной цепи автоматического переключателя схемы выпрямления при изменении напряжения питания, реализованное на микросхеме STR81145, а также STR83145, STR84145.Такое построение позволяет обеспечить работу источника питания в широком диапазоне изменений сетевого напряжения (85 В...265 В), не требуя от пользователя дополнительных коммутаций или переключений.Второй особенностью источника питания является наличие дополнительного однотактного преобразователя, функционирование которого существенно для работы источника питания в режиме "выключено".6.1 Источник питания мониторов SAMSUNG CST7677L/CST7687L6.1.1 Общие сведенияИсточник питания монитора SAMSUNG CST7677L/CST7687L состоит из двух однотактных преобразователей, обеспечивающих его работу в основном (рабочем) и энергосберегающих режимах монитора: готовность (ожидание), выключено. На рис.8 показана структурная схема источника питания. Основные цепи преобразователя приведены в табл.3.Рис.8. Структурная схема источника питания монитора SAMSUNG CST7677L/CST7687LТаблица 3. Назначение и состав цепей преобразователя
Страницы: 1, 2 |
|
© 2007 |
|