Лабораторный блок питания постоянного тока SPS-606

Настоящая статья подготовлена на основании опыта единственного ремонта блока питания (БП) SPS-606 фирмы GOODWILL и не претендует на абсолютную полноту изложенного в ней материала. 

Основные технические характеристики и принцип работы

Блок питания SPS-606 является представителем следующего ряда импульсных БП серии SPS: SPS-1230/1820/3610/2415/606. Первые две цифры в обозначении соответствуют выдаваемому БП максимальному напряжению, а остальные - максимальному току. Так, в частности, рассматриваемый ниже прибор обеспечивает выходное напряжение 60 В при токе 6 А.

Отдаваемая в нагрузку мощность всех перечисленных БП составляет 360 Вт. Их основные технические характеристики приведены в таблице.

Таблица.  Основные технические характеристики БП серии SPS

Функциональная схема БП, приведенная в инструкции по эксплуатации на английском языке, предназначена, очевидно, лишь для того, чтобы "сбить противника с толку". Перевод в русскоязычной версии инструкции успешно усугубляет эту задумку производителя. Поэтому на рис. 1 представлен авторский вариант функциональной схемы блока питания. Отдельного ее описания в рамках статьи не предусмотрено, так как она и без того достаточно наглядна.

Рис. 1. Схема функциональная блока питания SPS-606,

где: 1 - ШИМ контроллер основного преобразователя, 2 - драйвер основного преобразователя, 3 - выходной каскад основного преобразователя, 4 - выпрямитель сетевого напряжения, 5 - выпрямитель основной, 6 - внутренняя нагрузка, 7 - регулирующий элемент, 8 - токовый шунт, 9 - усилитель ошибки, 10 - схема установки тока ограничения, 11 - оптрон управления основным преобразователем, 12 - схема индикации режима работы, 13 - схема установки выходного напряжения, 14 - задающий генератор, 15 - выходной каскад вспомогательного преобразователя, 16 - выпрямитель напряжения ±15 В, 17 - источник опорного напряжения VREF, 18 - повторитель обратного провода, 19 - ШИМ контроллер вспомогательного преобразователя, 20 - выпрямитель напряжения +12 В, 21 - выпрямитель напряжения +5 В, 22 - оптрон дистанционного управления, 23 - схема ограничения выходного напряжения

Рассмотрим принцип работы блока питания по его принципиальной электрической схеме, показанной на рис. 2.

Переменное напряжение сети 230 В преобразуется в постоянное напряжение (примерно 310 В), условно названное на схеме +U, с помощью диодного моста BD101 и конденсаторов фильтра C105 и C106, включенных последовательно. Терморезисторы TH101 и TH102 типа N15SP2R5 предназначены для ограничения тока заряда конденсаторов фильтра в момент включения прибора в сеть (при нормальной температуре суммарное сопротивление двух последовательно включенных терморезисторов составляет 5 Ом). В дальнейшем, по мере нагрева терморезисторов, их сопротивление
уменьшается, и они практически не оказывают влияния на работу прибора. Синфазный дроссель T101 служит для снижения помех, отдаваемых БП в сеть при его работе.

В случае необходимости питания прибора от сети переменного тока 115 В необходимо переключатель выбора сетевого напряжения, находящийся на плате PS05P01F и конструктивно расположенный на задней стенке прибора, установить в соответствующее положение. При этом конденсаторы фильтра оказываются включенными параллельно нижним (по схеме) диодам моста и схема выпрямления превращается в схему выпрямителя с удвоением напряжения. Вышеназванные диоды под действием приложенного к ним напряжения на конденсаторах фильтра остаются все время запертыми и не влияют на работу схемы удвоения.

Через предохранитель FU202 постоянное напряжение +U поступает на мощные выходные каскады двух независимых DC/DC-преобразователей - основного и вспомогательного.

Вспомогательный преобразователь формирует три постоянных и гальванически развязанных от первичной сети напряжения ±15 В, +5 В и VREF, необходимых для работы всего прибора в целом. Он собран на микросхеме ШИМ контроллера U202 (UC3844), транзисторе Q202 и трансформаторе Т201. Каких-либо особенностей схема преобразователя не имеет, он собран по типовой схеме включения. ИМС U202 запускается после заряда конденсатора С218 через резистор R210 до напряжения 16 В. В установившемся режиме ШИМ контроллер питается (выв. 7) от вторичной обмотки трансформатора Т201 и выпрямителя D201 С218. Это же напряжение используется в качестве сигнала обратной связи по напряжению и через резистор R203 подается на вход внутреннего усилителя ошибки FBU (выв. 2). Отношение сопротивлений резисторов R203 и R204 определяет его коэффициент усиления. Работоспособность контроллера сохраняется при снижении напряжения питания на выв. 7 до 10 В.

ШИМ контроллер работает в режиме внешней синхронизации от генератора, выполненного на микросхеме таймера U201 (Р7555). Таймер питается напряжением 5 В от внутреннего опорного источника контроллера U202 (выв. 8, VREF). Частота синхроимпульсов определяется элементами R201, R202 и C213 и находится в пределах 170...190 кГц. С выхода задающего генератора тактовые импульсы через эмиттерный повторитель на транзисторе Q201 поступают на вход контроллера RTCT (выв. 4) вспомогательного преобразователя.

Выходной каскад преобразователя (транзистор Q202) защищен плавким предохранителем F201 (1 А, 125 В).

Контроллер U204 (UC3846) основного преобразователя и драйвер на транзисторах Q203, Q204 питаются напряжением +Ucc от того же источника, что и контроллер U202 через выпрямитель D202 С207.

Выпрямитель на диоде D205 и стабилизатор напряжения +5 В на микросхеме U203 обеспечивают питанием схему измерения тока и напряжения измерительного модуля (плата PS05P02).

Двуполярное напряжение питания всех операционных усилителей ±15 В формируется однополу-периодным выпрямителем на диодах D206, D207 и конденсаторах C226, C229.

Основной преобразователь собран на ШИМ контроллере U204 (UC3846), включенном также по его типовой схеме, за исключением того, что задействован только один из двух его выходных каскадов.

Кроме того, для сужения спектра импульсных помех из-за возникновения комбинационных составляющих при работе двух импульсных схем, оба преобразователя работают от одного и того же задающего генератора на микросхеме таймера U201. Импульсы с выхода эмиттерного повторителя Q201 через конденсатор С234 подаются на вход SYNC (выв. 10) основного контроллера U204.

Пуск контроллера U204 и его останов осуществляется по входу SHDN (выв. 16) транзистором оптрона U305,который управляется компаратором напряжения U401 схемы дистанционного управления и ограничения выходного напряжения (плата PS05P03), о которой будет рассказано ниже.

Импульсы с регулируемой длительностью с выхода BOUT (выв. 14) контроллера поступают на каскад предварительного усиления (драйвер) на комплементарных транзисторах Q203 и Q204 и через трансформатор T201 - на ключевой усилитель мощности на транзисторах Q205-Q208. Обе вторичные обмотки и соответствующие им пары транзисторов включены синфазно, то есть транзисторы в противоположных плечах открываются и закрываются одновременно. Величина тока, протекающего через открытые транзисторы и первичную обмотку трансформатора Т301, контролируется падением напряжения на резисторе R231, которое подается на неинвертирующий вход внутреннего усилителя токового датчика контроллера CS+ (выв. 4).

Вторичная обмотка трансформатора Т301 нагружена на выпрямитель, собранный на диодах D301.1, D301.2, дросселе L301 и конденсаторах С304-С306. Схема выпрямителя не подпадает ни под одну из известных типовых схем выпрямления, но можно предположить, что это видоизмененная схема выпрямителя с удвоением тока.

Напряжение с выпрямителя через регулирующий элемент на полевом КМОП транзисторе Q303 и, далее, через синфазный дроссель L302 поступает на основные выходные клеммы, расположенные на задней стенке прибора и обеспечивающие прохождение максимального тока 6 А (для модели SPS-606). Клеммы, расположенные на лицевой части БП, являются дополнительными и рассчитаны на подключение нагрузки с током потребления не более 3 А.

Регулирующий элемент на транзисторе Q303 управляется как схемой регулировки выходного напряжения, собранной на ОУ U302.1, так и схемой регулировки тока на ОУ U302.4.

В БП предусмотрена схема светодиодной индикации текущего режима работы. Схема построена на ОУ U303.2, включенном по схеме компаратора, и светодиодах D317 и D318 платы регуляторов PS05P01F-4. Светодиод D317 "C.V." (Constant Voltage - стабилизация напряжения) загорается, когда ИП находится в режиме стабилизации выходного напряжения. Светодиод D318 "C.C." (Constant Current - стабилизация тока) загорается, когда ИП переходит в режим стабилизации выходного тока.

В исходном состоянии, когда все регуляторы источника выведены на минимум, на выходах обоих схем и, соответственно, на затворе регулирующего транзистора Q303, устанавливается отрицательное напряжение около - (13,5...14) В. Относительно истока это напряжение составляет -(3,5...4) В, что надежно удерживает транзистор Q303 в закрытом состоянии. Падение напряжения на его канале "исток-сток" составляет 10 В, что определяется работой контроллера U204 основного преобразователя, управляемого усилителем ошибки на ОУ U303.1 через гальванически развязывающий оптрон U304. Усилитель ошибки сравнивает напряжение на истоке со вспомогательным опорным напряжением -10 В, сформированным ОУ U301-2, инвертирующим опорное напряжение +10 В (VREF). Напряжение ошибки с выхода ОУ U303.1 управляет состоянием транзистора оптрона U304, который задает напряжение на инвертирующем входе внутреннего усилителя ошибки INV (выв. 6). Коллектор транзистора оптрона, для снижения влияния внешних факторов, запитан от внутреннего источника стабильного напряжения +5 В контроллера.

Таким образом, схема основного преобразователя всегда стремится поддержать падение напряжения на канале "исток-сток" регулирующего транзистора Q303 не превышающим 10 В.

Схема регулировки выходного напряжения построена на ОУ U302.1 и представляет собой усилитель ошибки, который сравнивает выходное напряжение источника питания с опорным напряжением с переменного резистора VR309 (VOLTAGE) платы регуляторов PS05P01F-4. Это напряжение подается на неинвертирующий вход усилителя через резистор R312, а на инвертирующий вход ОУ подается выходное напряжение источника. Когда он работает в режиме стабилизации напряжения, резисторы R311 и R313 можно рассматривать как элементы отрицательной обратной связи усилителя ошибки. В этом случае его коэффициент усиления равен шести (из выражения: R311/R313+1 = 6), что выбрано для приведения к соответствию максимального выходного напряжения источника (60 В) и максимального опорного напряжения (10 В).

Рассмотрим работу БП в режиме регулировки напряжения. Для упрощения, сначала переведем регулятор тока VR307 (CURRENT) в максимальное положение. При этом загорается светодиод "C.V.", подтверждая переход БП в рассматриваемый режим. Усилитель ошибки схемы регулировки тока в этом режиме работает как компаратор, его выходное напряжение изменяется на противоположное и становится положительным, но это не приводит к открыванию регулирующего транзистора, так как оно полностью падает на резисторе R319. Несмотря на то, что после этого напряжение на выходе схемы регулировки напряжения (и на затворе соответственно) увеличивается до -(10,7...11) В, регулирующий транзистор по-прежнему остается закрытым, так как относительно истока напряжение на его затворе остается отрицательным.

Теперь вращение регуляторов напряжения VOLTAGE в сторону увеличения приводит к тому, что отрицательное напряжение на выходе ОУ U302.1 уменьшается (становится более положительным) и регулирующий транзистор начинает открываться, уменьшая падение напряжения на канале "исток-сток". Контроллер схемы основного преобразователя стабилизирует вторичное выходное напряжение за счет увеличения ширины импульсов управления силовым ключом, тем самым увеличивает количество энергии конденсаторов фильтра С304-С306, что в конечном итоге повышает выходное напряжение БП до тех пор, пока оно не достигнет установленного регулятором VR309 значения (с учетом коэффициента усиления 6).

В случае уменьшения выходного напряжения регулятором VOLTAGE все описанное выше происходит в обратном порядке.

Схема регулировки тока ограничения собрана на ОУ U302.3 и U302.4. Датчиком потребляемого нагрузкой тока служит токовый шунт R431, составленный из двух параллельно включенных проволочных резисторов номиналом 0,06 Ом. Падение напряжения на шунте усиливается дифференциальным усилителем на ОУ U302.3. Коэффициент усиления усилителя определяется номиналами резисторов R326 и R342 и составляет 28,01. При максимально допустимом выходном токе I_Н=6,1 А напряжение на выходе усилителя составит: I_Н · R341 k_y = 6,1 · 0,03 · 28,01 = 5,13 В (где I_Н - ток нагрузки, k_y - коэффициент усиления). Это напряжение подается на инвертирующий вход усилителя ошибки на ОУ U302.4 и сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на его неинвертирующий вход с резистора VR307 (CURRENT) платы регуляторов PS05P01F-4.

Рассмотрим работу БП в режиме ограничения тока. Пусть регулятор тока VR307 (CURRENT) будет установлен в какое-нибудь, например среднее, положение. Выход источника условно нагружен резистором. Увеличение выходного напряжения источника питания увеличивает падение напряжения на шунте R341, линейно увеличивая напряжение на выходе дифференциального усилителя U302.3 до тех пор, пока оно не достигнет значения, равного опорному напряжению, поступающему с регулятора тока VR307. В результате сравнения усилитель ошибки схемы регулировки тока U302.4 изменяет свое выходное напряжение на отрицательное, еще больше открывая регулирующий транзистор. Этим действием разрывается петля обратной связи усилителя ошибки схемы регулировки напряжения U302.1, и он меняет свое выходное напряжение на положительное. С этого момента регулирующий транзистор Q303 переходит под управление схемы регулировки тока U302.4. Загорается светодиод "С.С.", подтверждая переход БП в токовый режим.

В токовом режиме работа БП заключается в поддержании постоянной величины падения напряжения на токовом шунте R341. Выходное напряжение блока питания остается равным напряжению на момент перехода в токовый режим. Попытка его увеличения регуляторами VOLTAGE не приводит к изменению, так как диод D306 заперт положительным напряжением усилителя U302.1.

Внутренняя нагрузка БП предназначена для ускорения разряда конденсаторов фильтра, когда необходимо снизить или полностью убрать выходное напряжение. Необходимость этого становится особенно заметной при небольшой нагрузке или вовсе без нее. В этих случаях открывается транзистор Q302, подключает резистор R339 параллельно конденсаторам С304-С306 и переводит энергию конденсаторов в тепло.

Источник опорного напряжения VREF (+10 В) собран на ОУ U301 со стабилитроном в цепи положительной обратной связи. Такое построение схемы обеспечивает высокую стабилизацию тока стабилитрона ZD301,что в паре с его высокой температурной стабильностью позволяет получить прецизионный источник опорного напряжения.

Для гарантированного появления положительного напряжения на выходе ОУ U301 при включении питания (что вызвано особенностью используемой схемы), его прямой вход соединен с источником + 15 В через резистор R306, а в цепь положительной обратной связи включен диод D302. Выходное напряжение ОУ через токозадающий резистор R307 прикладывается к стабилитрону ZD301, обеспечивая ток стабилитрона около 6,3 мА. Подстроечным резистором VR301 можно изменять коэффициент усиления ОУ с целью установки требуемой величины выходного опорного напряжения в процессе калибровки источника питания.

Основной выход БП, клеммы OUT+ и OUT- которого расположены на задней стенке прибора, предполагает 4-проводную схему подключения нагрузки. Необходимость в такой схеме возникает при использовании соединительных проводников с недостаточным сечением и в случае удаленного расположения нагрузки. Падение напряжения на проводах может достигать единиц вольт, что будет приводить к существенному уменьшению фактического напряжения на нагрузке относительно величины, индицируемой вольтметром БП. Устранить это явление можно, переключив входы измерительных цепей (S+ и S-) с выходных клемм (М+ и М-) БП непосредственно на клеммы нагрузки. Для этого нужно удалить перемычки в разъеме J308 платы PS05P04C-1 (расположен на задней стенке прибора), а освободившиеся клеммы (S+ и S-) соединить с нагрузкой дополнительной парой проводов, как это показано на рис. 3. Сечение измерительных проводников в этом случае значения не имеет и может быть значительно меньше основных, так как ток, протекающий по ним, не превышает 1 мА.

Рис. 3. 4-проводная схема включения нагрузки

В принципе, если соединительные провода имеют одинаковое сопротивление, то для компенсации падения напряжения достаточно информации и с одного провода, если ввести соответствующий коэффициент в схему компенсации. Для более ответственных применений целесообразно осуществлять раздельную компенсацию по обоим соединительным проводам,что и реализовано в описываемом БП. Компенсация падения напряжения (а точнее - его исключение) на прямом (плюсовом) проводе осуществляется относительно просто - переносом точки замера, как было описано выше. С компенсацией падения на обратном (минусовом) проводе дело обстоит несколько сложней. В БП описываемой серии эта задача решается наличием в схеме дополнительного "плавающего" общего провода (его символ на схеме - незатушеванный треугольник) наряду с основным (стандартное УГО общего провода).

Схема формирования "плавающего" общего провода представляет собой буферную схему в виде повторителя напряжения на ОУ 302.2 и транзисторе Q301, напряжение на выходе которой в точности соответствует падению напряжения на обратном (минусовом) проводе. Если источник работает по обычной двухпроводной схеме, то потенциалы обоих общих проводов равны и никаких изменений в работе не происходит. Так как элементы схемы, участвующие в управлении выходным напряжением, подключены к плавающему общему проводу, то при переходе на 4-проводную схему к выходному напряжению источника добавляется напряжение, равное разности потенциалов между основным и плавающим общими проводами.

Схема дистанционного управления (плата PS05P03) позволяет дистанционно включать или выключать выходное напряжение БП. Для этого вместо перемычки на клеммах Т401 нужно подключить проводами требуемой длины какой-либо выключатель. Замкнутые контакты ставят под ток реле RL401, которое своими контактами переключает вход схемы регулировки выходного напряжения либо к регулятору VR309 (VOLTAGE"), либо на плавающий общий провод.

На этой же плате PS05P03 собрана схема защиты от превышения установленного значения выходного напряжения (англ. OVP - Оуег Voltage Protection). В основе схемы лежит компаратор с защелкой на ОУ U401, сравнивающий выходное напряжение БП с напряжением, установленным подстроечным резистором VR401. Когда выходное напряжение не превышает установленного значения, на выходе компаратора присутствует положительное напряжение, которое открываеттранзис-тор оптопары U305, разрешая работу основного преобразователя U401. В случае превышения выходного напряжения, по каким-либо причинам, установленного предела, на выходе компаратора устанавливается отрицательное напряжение. Светодиод оптрона U305 гаснет, закрывая свой транзистор, и преобразователь U401 останавливается, блок питания, за исключением вспомогательного преобразователя, выключается.

Повторное включение БП возможно только после его кратковременного отключения от сети. Эта особенность исходит из принципа работы компаратора с защелкой, заключающаяся в том, что его неинвертирующий вход через диод D401 соединен с его же выходом. В исходном состоянии диод заперт положительным выходным напряжением компаратора и не оказывает влияния на его работу. После "опрокидывания" компаратора диод открывается отрицательным выходным напряжением компаратора и его неинвертирующий вход также оказывается под отрицательным напряжением. Теперь вращение регуляторов VOLTAGE не в состоянии вернуть компаратор в исходное состояние, так как напряжение на них не опускается ниже ноля.

Измерительный модуль (плата PS05P02) предназначен для отображения напряжения, выдаваемого источником, и тока, потребляемого нагрузкой. Вольтметр и амперметр модуля построены на двух специализированных микросхемах АЦП типа ICL7107 по типовой схеме включения. Подробного описания работы модуля не приводится, так как интернет изобилует принципиальными схемами и описаниями различных измерительных приборов на этой, все еще популярной микросхеме. Российско-советский аналог - 572ПВ2.

Ремонт блока питания

Ремонт описываемого экземпляра БП был вызван тем, что произошло межвитковое замыкание первичной обмотки трансформатора Т301. Вследствие этого оказались пробитыми каналы "исток-сток" транзисторов Q205 и Q208 типа IRF840 и замкнут накоротко диод D211 типа MUR160. Также сгорел резистор токового контроля R231 0,22 Ом.

Трансформатор был восстановлен своими силами. Так как он пропитан лаком, то перед разборкой трансформатор находился в растворителе марки 646 в течение четырех суток. После этого удалось, не поломав, разделить фер-ритовый сердечник и вынуть обе его Ш-образные половинки. Первичная обмотка оказалась разделенной на две неравные части, одна из которых размещена поверх вторичной обмотки, а другая под ней. Верхняя половина имела 18 витков медного провода диаметром 0,90 мм и, а нижняя - 20 витков того же провода. Обе половинки соединены последовательно. Вторичная обмотка трансформатора намотана в параллель двумя медными проводами диаметром 0,85 мм и имела 28 витков, уложенных в три слоя.

Следует обратить внимание на диоды D210 и D211 в случае их замены. Диоды должны быть ультрабыстрые, так как частота работы преобразователя достаточно высока. В противном случае переходы диодов могут не успевать рассасываться, создавая возможность возникновения сквозного тока для транзисторов.

Трансформаторы преобразователей Т201 и Т202 не разбирались, поэтому их намоточных данных у автора нет.

Калибровка блока питания

После ремонта блока питания рекомендуется сделать его калибровку. Ниже приводится методика, взятая из инструкции по эксплуатации на английском языке. В русскоязычной версии инструкции, найденной в Интернете, эта часть текста отсутствует

В качестве образцового средства измерения рекомендуется мультиметр постоянного тока с погрешностью измерения не хуже ±0,1%. (Например GOOD WILL модель GDM-8145 или аналогичный).

Расположение регулировочных элементов показано на рис. 4.

Рис. 4. Расположение регулировочных элементов

Калибровка напряжения

1. Подключают внешний образцовый мультиметр с погрешностью ±0,1%, установленный в режим измерения постоянного напряжения, к выходным клеммам БП, находящимся сзади.

2. Устанавливают регуляторы напряжения VOLTAGE COARSE (ГРУБО) и FINE (ТОЧНО) БП в максимальное положение (до упора по часовой стрелке).

3. Подстроечным резистором VR301 устанавливают показания образцового мультиметра равными 12,5 В для SPS-1230, 18,5 В для SPS-1820, 36,5 В для SPS-3610 и 60,5 В для SPS-606.

4. Подстроечным резистором VR2 измерительного модуля устанавливают показания вольтметра БП равными показанию образцового мультиметра.

Калибровка тока

1. Переключатель AMPS (АМПЕРЫ) переводят в положение HI (БОЛЬШИЙ ПРЕДЕЛ).

2. Устанавливают регуляторы тока CURRENT COARSE и FINE в минимальное положение (до упора против часовой стрелки).

3. Регуляторы напряжения VOLTAGE COARSE и FINE устанавливают в среднее положение.

4. Подключают внешний образцовый мультиметр, установленный в режим измерения постоянного тока, к выходным клеммам БП, находящимся сзади.

5. Подстроечным резистором VR304 устанавливают показание образцового мультиметра равными - (минус) 0,00 А.

6. Устанавливают регуляторы тока CURRENT COARSE и FINE в максимальное положение (до упора по часовой стрелке).

7. Подстроечным резистором VR303 устанавливают показания образцового мультиметра равными 30,1 В для SPS-1230, 20,1 А для SPS-1820, 10,1 А для SPS-3610 и 6,1 А для SPS-606.

8. Подстроечным резистором VR1 измерительного модуля устанавливают показания амперметра блока питания равными показанию образцового мультиметра.

9. Переводят переключатель AMPS в положение LOW (МЕНЬШИЙ ПРЕДЕЛ).

10. Подстроечным резистором VR310 устанавливают показания амперметра блока питания равными точно половине показаний образцового мультиметра.

Автор приносит свои извинения за какие-либо неточности, обнаруженные в схемах или в тексте, так как изложенный материал был получен в результате анализа рабочего экземпляра.

Автор: Валентин Посохов (г. Петропавловск, Казахстан)

Источник:  Ремонт и сервис