Odkrywamy schematy: zasilacze komputerowe cz.3 - przebiegi przy różnych wartościach napięcia wyjściowego

Punkty pomiarowe pokazuje rysunek 7. Rysunki 8a, 8b, 8c obrazują zasadę regulacji tej przetwornicy. Uwaga! Wszystkie przebiegi – oscylogramy dostępne są też w Elportalu wśród materiałów dodatkowych do tego numeru EdW.

Rys.7 Punkty pomiarowe

Przebieg górny zdjęto z półmostka, a sonda dolnego była podłączona do katod podwójnej diody po wtórnej stronie zasilacza (punkty A i DK na rysunku 7). Oscylogram – rysunek 8a, dotyczy napięcia wyjściowego bliskiego nominalnemu =15V. Przebiegi na rysunkach 8b i 8c pokazują górną i dolną możliwość regulacji napięcia zasilacza. Górna możliwość regulacji to 22V, a dolna ok. 2,5V.

Rys.8a Zasada regulacji przetwornicy

Rys.8b Zasada regulacji przetwornicy

W pierwszym przypadku współczynnik wypełnienia kluczowania jest bliski 100%, w dolnym zakresie sterownik zaczyna już gubić impulsy – bardziej zredukować PWM układ już nie potrafi. Ale jesteśmy już w zakresie, gdzie nie należałoby zbytnio przetwornicy obciążać. Chcąc wykonać zasilacz o napięciu rzędu pojedynczych woltów, należy skorzystać z wyjścia 5-woltowego. Wtedy zakres regulacji powinien się przesunąć proporcjonalnie w dół, czyli od ok. 1V do 10V.

Rys.8c Zasada regulacji przetwornicy

Na rysunkach 9a i 9b pokazano, jak zmieniają się przebiegi wraz ze zmianą U_WE. W pierwszym przypadku napięcie obniżono do 150VAC, a w drugim podniesiono do 250VAC. Analizę tych przebiegów pozostawiamy Czytelnikowi.

Rys.9a Zmiana przebiegów wraz ze zmianą U_WE

Rys.9b Zmiana przebiegów wraz ze zmianą U_WE

Dlaczego nie pokazano, jak zmieniają się przebiegi pod różnym obciążeniem? Bo w przetwornicach przepustowych niemal się nie zmieniają! Do tego jeszcze wrócimy.

Dla zobrazowania działania, a właściwie potwierdzenia tego, o czym mówiliśmy we wcześniejszych odcinkach artykułu, jeszcze kilka przebiegów. Rysunek 10 to przebieg na nóżkach 8 i 9 SG6105. To wyjścia drajwera sterujące stopniem pośredniczącym push-pull. Oba przebiegi są identyczne, przesunięte w fazie o 180°. To efekt dzielnika (/2) rozdzielającego impulsy sterujące na oba wyjścia. Aktywny jest stan niski. Częstotliwość pracy stopnia kluczującego jest połową częstotliwości oscylatora.

Rys.10 Przebieg na nóżkach 8 i 9 SG6105

Aby zobrazować pracę stopnia push-pull, zdjęto przebiegi pokazane na rysunku 11a, 11b i 11c. Na pierwszym górną sondę podpięto do katody diody wyjściowej (punkt DK), a drugą do jednej gałęzi push-pull, do kolektora jednego z tranzystorów (punkt PP1 lub PP2).

Rys.11a Praca stopnia push-pull

Niższy przebieg jest zgodny z co drugim impulsem wyjściowym, ponieważ za impulsy parzyste/ nieparzyste odpowiedzialna jest druga gałąź stopnia sterującego. Praktycznie to samo widać na rysunku 11b, choć górną sondę przepięto na półmostek, a dolną na drugą gałąź stopnia push-pull. Rysunek 11c – dolna sonda przepięta na węzeł środkowy transformatora push-pull.

Tutaj pokazały się już wszystkie impulsy, a nie co drugi. Obserwacja w tym miejscu jest w ogóle możliwa dzięki prądowemu zasilaniu stopnia sterującego, na co zwracaliśmy uwagę w części teoretycznej. Impulsy są wszystkie, ale o połowę niższe. Tak musi być, średnie napięcie, czyli składowa stała w każdym punkcie uzwojenia będzie zawsze taka sama.

Rys.11b Praca stopnia push-pull

Rys.11c Praca stopnia push-pull

Przebieg na rysunku 12a to obserwacja półmostka i uzwojenia sterującego bazą dolnego klucza. Górnego (high-side) nie obejrzymy, ale z symetrii wynika, że przebieg powinien być taki sam.

Zapewne już na wcześniejszych oscylogramach Czytelnik zauważył, że coś się nie zgadza. Szerokość impulsów sterujących nie jest zgodna z tą szerokością w stopniu kluczowania i po wtórnej stronie przetwornicy. Jeszcze lepiej to widać na rysunku 12b. To przebieg na uzwojeniu sterującym dolnym tranzystorem i na samej jego bazie.

Rys.12a Obserwacja półmostka i uzwojenia sterującego bazą dolnego klucza

Rys.12b Szerokość impulsów sterujących

Na tym rysunku jest to dokładnie zwymiarowane. Odprowadzenie ładunku z bazy tranzystora-klucza trwa ok. 1,8us. To tzw. czas magazynowania (storage time) zgodny z wartością katalogową tranzystora MJE13009, aczkolwiek czas ten zależny jest od prądu kolektora i bazy. Tutaj przebiegi świadczą o głębokim nasyceniu tranzystorów kluczujących. Przebieg górny, zdjęty w p. U, odzwierciedla przebiegi stopnia sterującego. Jest on wprost przetransformowany ze stopnia push-pull. Między oboma punktami pomiarowymi (uzwojeniem i bazą tranzystora) jest wtrącone źródło napięciowe, jakie tworzy się na dwójniku dioda-rezystor-kondensator. Plus szeregowy rezystor o wartości jedynie 2,2Ω .

Rezystor równoległy do bazy ma w tej chwili mniejsze znaczenie. Z oscylogramu 12b można odczytać, że prąd wsteczny bazy jest na poziomie 3,5V : 2,2Ω = –1,6A. 1,6A razy 1,8 mikrosekundy to 2,9uC (mikrokulomba). Baza tranzystora (tranzystorów) kluczującego sterowana jest więc bardzo poprawnie. W fazie włączenia napięcie na bazie utrzymuje się na poziomie 0,7V. W fazie przeciwnej równe jest przetransformowanemu i przesuniętemu o 1V (tyle tworzy się na ww. dwójniku) napięciu ze stopnia sterującego push-pull. Sięga ono –5V. Nie zastosowano diod ograniczających, obcinających.

Podobnie z przebiegu 12b można doliczyć się, iż prąd włączający w bazie jest na poziomie 1,3A. Prąd kolektora jest niewiele większy, a pod małym obciążeniem na tym samym poziomie i z tego też możemy ocenić głębokość nasycenia tranzystorów kluczujących.

Te szacunkowe obliczenia dają obraz pracy najbardziej newralgicznego stopnia przetwornicy, półmostka kluczującego. Obarczone są jednak sporym błędem. Przede wszystkim dwójnik między uzwojeniem a bazą tranzystora to nie jest porządne źródło napięciowe. I tu dodajmy wniosek praktyczny z napraw zasilaczy, których autor wiele przeprowadził. W tym dwójniku tradycyjnie stosowano kondensatory elektrolityczne. Różne, zwykle 4,7 lub 10uF. Proszę przeliczyć, czy to jest dużo. Przebiegu na tym kondensatorze nie obejrzymy, ale można się doliczyć, że bynajmniej nie utrzymuje on stałego ładunku/napięcia, jak na źródło napięciowe przystało.

Gdyby był tu sam kondensator, to 7us razy 1,3A daje ok. 10 mikrokulombów. Taki ładunek nawet na pojemności 10uF przeładuje ją o 1V. Wniosek praktyczny: uszkodzenie zasilacza, gdy kondensator ten wysychał. A był on umieszczony (obydwa) zawsze w pobliżu ciepłego/gorącego radiatora. O dziwo, tranzystory były dość żywotne. Rzadko jeden z nich lub oba ulegały zwarciu. Zasilacz dziwnie zachowywał się tylko pod większym obciążeniem. Z tak błahego powodu często lądował na śmietniku, bo usterka była trudna do zdiagnozowania, choć przebiegi się już znacząco deformowały.

O ile stwierdziliśmy, że w poprawnych warunkach tranzystory półmostka są może zbyt głęboko nasycane, tu było gorzej, bo jeden z nich wychodził z nasycenia w końcowej fazie włączenia. Wtedy prąd bazy na pewno maleje, a prąd kolektora rośnie, no, jak się dalej okaże – nie aż tak, jak na obciążenie indukcyjne przystało. Dla tranzystora bipolarnego bardzo pożądane jest sterowanie, powiedzmy proporcjonalne. Wychodzenie klucza z nasycenia jest o wiele groźniejsze i przykre niż nasycenie zbyt głębokie.

Ale trzeba oddać szacunek konstruktorowi tego zasilacza. Sterowanie niemalże prądowe stopnia push-pull, a także dodatkowe uzwojenie transformatora push-pull między wyjściem półmostka a uzwojeniem pierwotnym transformatora głównego stwarza warunki sterowania proporcjonalnego baz tranzystorów-kluczy. To znaczy: większe obciążenie – silniejsze wysterowanie bazy.

Proste jest piękne! Bo osiągnięte w bardzo prosty, za to przemyślany sposób. Wychodzenie tranzystora kluczującego z nasycenia skutkuje dużymi stratami mocy. Dlatego, jeśli zasilacz jako tako pracował, to w konsekwencji tranzystor (tranzystory) wysiadały termicznie, co można było także stwierdzić z oględzin płyty PCB.

A jak pod tym względem sprawa wygląda w warunkach normalnej pracy? Czy należy się martwić, oglądając przebieg z rysunku 12b? Opóźnienie wyłączania na poziomie 1,8us to bardzo dużo. Ale to nie jest czas wyłączania! W czasie magazynowania (storage time) straty mocy w tranzystorze są niewielkie. Straty dynamiczne są duże tylko w kolejnej fazie, kiedy pojawia się napięcie kolektor- emiter przy dużej wartości prądu kolektora. I bardzo ważne jest, aby ta faza była jak najkrótsza i aby prąd zdążył zmaleć, zanim napięcie pójdzie ostro w górę, a zależy to nie tylko od wysterowania bazy, ale również od charakteru obciążenia i pomocnych tu obwodów gasikowych (snubber).

Rys.12c Rezonansowy charakter obwodu

Warto jeszcze pokazać pracę przetwornicy bez obciążenia lub z niewielkim obciążeniem. Na rysunku 12c przebieg w węźle A półmostka jest zdecydowanie różny od trójpoziomowego na wcześniejszych oscylogramach. Tu się ujawnia rezonansowy charakter obwodu – uzwojenie pierwotne transformatora rezonuje z pojemnością widzianą w tym węźle, głównie kondensatora gasikowego.

Zwarcie rezystora obwodu snubber tylko nieznacznie zmienia przebiegi i jak się należy spodziewać, jego obecność skutkuje większym tłumieniem, czyli oscylacje szybciej gasną. Ta obserwacja nie jest sprzeczna z tym, co zobaczymy dalej. Pod dużym obciążeniem zasilacza charakter obciążenia widziany z węzła kluczującego jest niemal czysto rezystancyjny. Rysunek 12d to skojarzenie przebiegu w półmostku z tym, który występuje na katodzie diody po wtórnej stronie przetwornicy. To przebieg, którym zasilany jest obwód odzyskujący składową stałą.

Rys.12d Skojarzenie przebiegu w półmostku z tym występującym na katodzie diody po wtórnej stronie przetwornicy

Czyli cewka magazynująca energię i kondensator na wyjściu. Ten przebieg jest może nieoczekiwany, ale w pełni poprawny. Oscylacje wnoszą swój wkład do napięcia wyjściowego, ale sprzężenie zwrotne to skoryguje! Ważne tylko, aby ten czynnik był jednakowy dla obu napięć (+5V i +12V). Jeśli jest jedna pętla regulacji, to na to nie mamy wpływu. W poprawie regulacji skrośnej, oprócz ciasno nawiniętego transformatora, ma pomóc nawijanie cewek gromadzących energię na wspólnym rdzeniu.

Czy w zasilaczu PC jest jeszcze coś ciekawego do podejrzenia? Bardzo ciekawe są przebiegi w części zasilacza 3,3V, jeśli pracuje on z wykorzystaniem idei wzmacniacza magnetycznego. Ale tym zajmiemy się kiedyś oddzielnie. W kolejnej części przyjrzymy się przetwornicy standby – nieco po macoszemu traktowanemu fragmentowi zasilacza PC. A potem zajmiemy się już przeróbką omawianego tu zasilacza na regulowany lub na ładowarkę.