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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schaltungsentwurf von Netzteilen für Personalcomputer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Schaltnetzteile (USV) für Personalcomputer haben wichtige Vorteile – geringe Größe und Gewicht. Allerdings sind sie nach recht komplexen Schaltungen aufgebaut, was die Fehlersuche erschwert. Der Autor dieses Artikels stützt sich beim Thema Schaltungsdesign dieser Blöcke auf Erfahrungen mit USV, dem sogenannten AT-Format. USVs von Haushaltscomputern sind für den Betrieb mit einem einphasigen Wechselstromnetz (110/230 V, 60 Hz – importiert, 127/220 V, 50 Hz – im Inland hergestellt) ausgelegt. Da in Russland das 220-V-50-Hz-Netz allgemein akzeptiert ist, besteht nicht das Problem, ein Gerät für die erforderliche Netzspannung auszuwählen. Sie müssen lediglich sicherstellen, dass der Netzspannungsschalter am Gerät (falls vorhanden) auf 220 oder 230 V eingestellt ist. Das Fehlen eines Schalters zeigt an, dass das Gerät in dem auf dem Etikett angegebenen Netzspannungsbereich betrieben werden kann ohne Umschaltung. Für 60 Hz ausgelegte USVs funktionieren einwandfrei in einem 50 Hz-Netz. Die USV wird über zwei Kabelbäume mit den Buchsen P8 und P9 an Motherboards im AT-Format angeschlossen, wie in Abb. 1 (Blick von der Seite der Nester). Die in Klammern angegebenen Kabelfarben sind Standardfarben, die jedoch nicht von allen USV-Herstellern strikt eingehalten werden. Um die Buchsen beim Anschließen an die Motherboard-Stecker richtig auszurichten, gibt es eine einfache Regel: Die vier schwarzen Drähte (GND-Kreis), die zu beiden Buchsen führen, müssen nebeneinander liegen.
Die Hauptstromkreise von Motherboards im ATX-Format sind in dem in Abb. gezeigten Anschluss konzentriert. 2. Wie im vorherigen Fall, Blick von der Seite der Steckdosen. USVs dieses Formats verfügen über einen Fernbedienungseingang (PS-ON-Schaltkreis). Bei Anschluss an ein gemeinsames Kabel (COM-Schaltkreis – „gemeinsam“, entspricht GND) beginnt das mit dem Netzwerk verbundene Gerät zu arbeiten. Wenn der PS-ON-COM-Kreis offen ist, liegt an den USV-Ausgängen keine Spannung an, mit Ausnahme der „Standby“ +5 V im +5VSB-Kreis. In diesem Modus ist der Stromverbrauch aus dem Netzwerk sehr gering.
USVs im ATX-Format sind mit einer zusätzlichen Ausgangsbuchse ausgestattet, wie in Abb. 3.
Der Zweck seiner Schaltungen ist wie folgt: FanM – Ausgang des Lüfterdrehzahlsensors, der die USV kühlt (zwei Impulse pro Umdrehung); FanC – analoger (0...12 V) Eingang zur Steuerung der Drehzahl dieses Lüfters. Wenn dieser Eingang von externen Stromkreisen getrennt wird oder eine konstante Spannung von mehr als 10 V an ihm anliegt, ist die Lüfterleistung maximal; 3.3-V-Sense – Feedback-Signaleingang des +3,3-V-Spannungsstabilisators. Er ist über ein separates Kabel direkt mit den Stromanschlüssen der Mikroschaltungen auf der Systemplatine verbunden, wodurch Sie den Spannungsabfall an den Versorgungskabeln ausgleichen können. Ist keine zusätzliche Steckdose vorhanden, kann dieser Stromkreis auf Buchse 11 der Hauptsteckdose geführt werden (siehe Abb. 2); 1394R – Minus einer 8...48-V-Spannungsquelle, die vom gemeinsamen Kabel isoliert ist, um die IEEE-1394-Schnittstellenschaltungen mit Strom zu versorgen; 1394V - plus die gleiche Quelle. Eine USV jeglichen Formats muss mit mehreren Steckdosen ausgestattet sein, um Festplatten und einige andere Computerperipheriegeräte mit Strom zu versorgen. Jede „Computer“-USV erzeugt ein logisches Signal namens R G. (Power Good) in AT-Blöcken oder PW-OK (Power OK) in ATX-Blöcken, dessen hoher Pegel anzeigt, dass alle Ausgangsspannungen innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Auf der „Hauptplatine“ des Computers ist dieses Signal an der Erzeugung des System-Reset-Signals beteiligt. Nach dem Einschalten der USV wird der RG-Signalpegel angezeigt. (PW-OK) bleibt für einige Zeit niedrig und verhindert so den Betrieb des Prozessors, bis die Übergangsprozesse in den Stromkreisen abgeschlossen sind. Wenn die Netzspannung abgeschaltet wird oder eine plötzliche Fehlfunktion der USV auftritt, ändert sich der logische Pegel des PG-Signals (PW-OK), bevor die Ausgangsspannungen des Geräts unter zulässige Werte fallen. Dadurch wird der Prozessor angehalten, die Beschädigung der im Speicher gespeicherten Daten und andere irreversible Vorgänge verhindert. Die Austauschbarkeit der USV kann anhand der folgenden Kriterien bewertet werden. Die Anzahl der Ausgangsspannungen zur Stromversorgung eines IBM-PCs im AT-Format muss mindestens vier betragen (+12 V, +5 V, -5 V und -12 V). Die maximalen und minimalen Ausgangsströme werden für jeden Kanal separat geregelt. Ihre üblichen Werte für Quellen unterschiedlicher Leistung sind in der Tabelle angegeben. 1.
ATX-Computer benötigen zusätzlich +3,3 V und einige andere Spannungen (diese wurden oben erwähnt). Bitte beachten Sie, dass der normale Betrieb des Geräts bei einer Last unter der Mindestlast nicht gewährleistet ist und dieser Modus manchmal einfach gefährlich ist. Daher wird nicht empfohlen, die USV ohne Last an das Netzwerk anzuschließen (z. B. zu Testzwecken). Die Leistung des Netzteils (Summe aller Ausgangsspannungen) muss bei einem komplett mit Peripheriegeräten ausgestatteten Haushalts-PC mindestens 200 W betragen. In der Praxis sind 230...250 W erforderlich, bei der Installation zusätzlicher Festplatten und CD-ROM-Laufwerke können auch mehr erforderlich sein. PC-Störungen, insbesondere solche, die beim Einschalten der Elektromotoren der genannten Geräte auftreten, gehen häufig mit einer Überlastung des Netzteils einher. Computer, die als Informationsnetzwerkserver eingesetzt werden, verbrauchen bis zu 350 W. USVs mit geringer Leistung (40...160 W) werden beispielsweise in speziellen Steuerungscomputern mit einer begrenzten Anzahl an Peripheriegeräten eingesetzt. Der Platzbedarf einer USV nimmt in der Regel zu, da ihre Länge zur Frontplatte des PCs hin zunimmt. Die Einbaumaße und Befestigungspunkte des Geräts im Computergehäuse bleiben unverändert. Daher kann (mit seltenen Ausnahmen) jeder Block anstelle des ausgefallenen installiert werden. Die Basis der meisten USVs ist ein Push-Pull-Halbbrückenwechselrichter, der mit einer Frequenz von mehreren zehn Kilohertz arbeitet. Die Versorgungsspannung des Wechselrichters (ca. 300 V) wird gleichgerichtet und die Netzspannung geglättet. Der Wechselrichter selbst besteht aus einer Steuereinheit (Pulsgenerator mit zwischengeschalteter Leistungsverstärkung) und einer leistungsstarken Endstufe. Letzterer wird auf einen Hochfrequenz-Leistungstransformator geladen. Die Ausgangsspannungen werden mit Gleichrichtern gewonnen, die an die Sekundärwicklungen dieses Transformators angeschlossen sind. Die Spannungsstabilisierung erfolgt durch Pulsweitenmodulation (PWM) der vom Wechselrichter erzeugten Impulse. Typischerweise wird nur ein Ausgangskanal vom stabilisierenden Betriebssystem abgedeckt, normalerweise +5 oder +3,3 V. Dadurch sind die Spannungen an anderen Ausgängen nicht von der Netzspannung abhängig, sondern unterliegen weiterhin dem Einfluss der Last. Manchmal werden sie zusätzlich mit herkömmlichen Stabilisatorchips stabilisiert. NETZ GLEICHRICHTER In den meisten Fällen wird diese Einheit nach einem Schema durchgeführt, das dem in Abb. gezeigten ähnelt. Die Unterschiede bestehen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 lediglich in der Art der Gleichrichterbrücke VD1 und einer mehr oder weniger großen Anzahl von Schutz- und Sicherheitselementen.
Manchmal wird die Brücke aus einzelnen Dioden zusammengesetzt. Bei geöffnetem Schalter S1, was bedeutet, dass das Gerät über ein 220...230-V-Netz mit Strom versorgt wird, handelt es sich bei dem Gleichrichter um einen Brückengleichrichter, dessen Spannung an seinem Ausgang (Kondensatoren C4, C5 in Reihe geschaltet) nahe bei der Amplitude liegt die Netzspannung. Bei Stromversorgung aus einem Netz von 110...127 V verwandeln sie das Gerät durch Schließen der Kontakte des Schalters in einen Gleichrichter mit Verdoppelung der Spannung und erhalten an seinem Ausgang eine konstante Spannung, die doppelt so groß ist wie die Amplitude der Netzspannung. Eine solche Umschaltung ist in USVs vorgesehen, deren Stabilisatoren die Ausgangsspannungen nur dann in akzeptablen Grenzen halten, wenn die Netzabweichung um ±20 % abweicht. Geräte mit effektiverer Stabilisierung können ohne Umschalten bei jeder Netzspannung (normalerweise 90 bis 260 V) betrieben werden. Die Widerstände R1, R4 und R5 dienen dazu, die Gleichrichterkondensatoren nach der Trennung vom Netz zu entladen, und C4 und C5 gleichen zusätzlich die Spannungen an den Kondensatoren C4 und C5 aus. Der Thermistor R2 mit negativem Temperaturkoeffizienten begrenzt die Amplitude des Einschaltstroms, der die Kondensatoren C4, C5 im Moment des Einschaltens des Geräts auflädt. Durch die Selbsterwärmung sinkt dann sein Widerstand und der Betrieb des Gleichrichters wird dadurch praktisch nicht beeinträchtigt. Der Varistor R3 mit einer Klassifizierungsspannung größer als die maximale Amplitude des Netzwerks schützt vor Überspannungen des Netzwerks. Leider ist dieser Varistor unbrauchbar, wenn ein Gerät mit geschlossenem Schalter S1 versehentlich in einem 220-V-Netz eingeschaltet wird. Die schwerwiegenden Folgen können vermieden werden, indem die Widerstände R4, R5 durch Varistoren mit einer Klassifizierungsspannung von 180...220 ersetzt werden V, deren Ausfall zur Verbrennung des Sicherungseinsatzes FU1 führt. Manchmal werden Varistoren parallel zu den angegebenen Widerständen oder nur zu einem von ihnen geschaltet. Die Kondensatoren C1–C3 und die Zweiwicklungsinduktivität L1 bilden einen Filter, der den Computer vor Störungen durch das Netzwerk und das Netzwerk vor Störungen durch den Computer schützt. Über die Kondensatoren C1 und C3 ist das Computergehäuse über Wechselstrom mit den Netzwerkkabeln verbunden. Daher kann die Spannung beim Berühren eines nicht geerdeten Computers die Hälfte der Netzwerkspannung erreichen. Dies ist nicht lebensgefährlich, da die Reaktanz der Kondensatoren recht hoch ist, führt jedoch häufig zum Ausfall der Schnittstellenschaltungen, wenn Peripheriegeräte an den Computer angeschlossen sind. LEISTUNGSSTARKE WECHSELRICHTERKASKADE Auf Abb. 5 zeigt einen Teil des schematischen Diagramms einer üblichen GT-150W USV.
Die von der Steuereinheit erzeugten Impulse werden über den Transformator T1 an die Basen der Transistoren VT1 und VT2 gesendet und öffnen diese abwechselnd. Die Dioden VD4, VD5 schützen Transistoren vor Spannung mit umgekehrter Polarität. Die Kondensatoren C6 und C7 entsprechen C4 und C5 im Gleichrichter (siehe Abb. 4). Die Spannungen der Sekundärwicklungen des Transformators T2 werden gleichgerichtet, um eine Ausgangsleistung zu erhalten. Einer der Gleichrichter (VD6, VD7 mit Filter L1C5) ist im Diagramm dargestellt. Die meisten leistungsstarken USV-Kaskaden unterscheiden sich von den betrachteten nur durch die Art der Transistoren, bei denen es sich beispielsweise um Feldeffekttransistoren handeln oder eingebaute Schutzdioden enthalten kann. Für den Aufbau von Grundschaltungen (für Bipolar) oder Gate-Schaltungen (für Feldeffekttransistoren) gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlicher Anzahl, Leistung und Beschaltung der Verbindungselemente. Beispielsweise können die Widerstände R4, R6 direkt an die Basen der entsprechenden Transistoren angeschlossen werden. Im eingeschwungenen Zustand wird die Wechselrichter-Steuereinheit mit der Ausgangsspannung der USV versorgt, im Moment des Einschaltens fehlt diese jedoch. Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, die zum Starten des Wechselrichters erforderliche Versorgungsspannung zu erhalten. Der erste davon ist im betrachteten Schema implementiert (Abb. 5). Unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts fließt die gleichgerichtete Netzspannung über den Widerstandsteiler R3 - R6 in die Basiskreise der Transistoren VT1 und / T2, öffnet diese leicht und die Dioden VD1 und VD2 verhindern, dass die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren beschädigt werden überbrückt durch die Wicklungen II und III des Transformators T1. Gleichzeitig werden die Kondensatoren C4, C6 und C7 geladen, und der Ladestrom des Kondensators C4, der durch die Wicklung I des Transformators T2 und durch einen Teil der Wicklung II des Transformators T1 fließt, induziert eine Spannung in den Wicklungen II und III des letzteren Dadurch wird einer der Transistoren geöffnet und der andere geschlossen. Welcher Transistor schließt und welcher öffnet, hängt von der Asymmetrie der Eigenschaften der Kaskadenelemente ab. Aufgrund der Wirkung der positiven Rückkopplung verläuft der Prozess wie eine Lawine, und ein Impuls, der in Wicklung II des Transformators T2 über eine der Dioden VD6, VD7, den Widerstand R9 und die Diode VD3 induziert wird, lädt den Kondensator C3 auf eine zum Starten ausreichende Spannung auf Bedienung des Steuergerätes. Anschließend wird es über denselben Stromkreis mit Strom versorgt und die durch die Dioden VD6, VD7 gleichgerichtete Spannung wird nach Glättung durch den Filter L1C5 dem +12-V-Ausgang der USV zugeführt. Die Version der in der USV LPS-02-150XT verwendeten Erststartschaltungen unterscheidet sich nur dadurch, dass die Spannung zum Teiler, ähnlich R3 - R6 (Abb. 5), von einem separaten Einweggleichrichter der Netzspannung geliefert wird mit einem Filterkondensator kleiner Kapazität. Dadurch öffnen sich die Wechselrichtertransistoren etwas, bevor die Hauptgleichrichter-Filterkondensatoren (C6, C7, siehe Abb. 5) geladen werden, was einen zuverlässigeren Start gewährleistet. Die zweite Methode zur Stromversorgung der Steuereinheit während des Startvorgangs beinhaltet das Vorhandensein eines speziellen Abwärtstransformators mit geringer Leistung und Gleichrichter, wie im Diagramm in Abb. 6, verwendet in der USV PS-200B. Die Windungszahl der Sekundärwicklung des Transformators ist so gewählt, dass die gleichgerichtete Spannung etwas geringer ist als die Ausgabe im +12-V-Kanal des Geräts, aber für den Betrieb des Steuergeräts ausreichend ist. Wenn die Ausgangsspannung der USV ihren Nennwert erreicht, öffnet die Diode VD5, die Brückendioden VD1 - VD4 bleiben während der gesamten Wechselspannungsperiode geschlossen und die Steuereinheit schaltet auf Stromversorgung mit der Ausgangsspannung des Wechselrichters um, ohne mehr zu verbrauchen Energie vom „Start“-Transformator.
Bei auf diese Weise angesteuerten Hochleistungs-Wechselrichterstufen entfällt die Notwendigkeit einer Vorspannung an den Basen der Transistoren und einer positiven Rückkopplung. Daher sind die Widerstände R3, R5 nicht erforderlich, die Dioden VD1, VD2 werden durch Brücken ersetzt und die Wicklung II des Transformators T1 ist ohne Anzapfung ausgeführt (siehe Abb. 5). AUSGANGSGLEICHRICHTER Auf Abb. 7 zeigt ein typisches Diagramm einer Vierkanal-USV-Gleichrichteranordnung.
Um die Symmetrie der Ummagnetisierung des Magnetkreises eines Leistungstransformators nicht zu verletzen, werden Gleichrichter nur in Vollwellenschaltungen gebaut und Brückengleichrichter, die sich durch erhöhte Verluste auszeichnen, werden fast nie verwendet. Das Hauptmerkmal von Gleichrichtern in USVs sind Glättungsfilter, beginnend mit der Induktivität (Drossel). Die Spannung am Ausgang eines Gleichrichters mit einem solchen Filter hängt nicht nur von der Amplitude, sondern auch vom Tastverhältnis (dem Verhältnis der Dauer zur Wiederholungsperiode) der am Eingang ankommenden Impulse ab. Dadurch ist es möglich, die Ausgangsspannung durch Änderung des Tastverhältnisses des Eingangs zu stabilisieren. Gleichrichter mit Filtern, die mit einem Kondensator beginnen und in vielen anderen Fällen verwendet werden, verfügen nicht über diese Eigenschaft. Der Vorgang der Änderung des Tastverhältnisses von Impulsen wird üblicherweise als PWM – Pulsweitenmodulation (PWM – Pulse Wide Modulation) bezeichnet. Da sich die Amplitude der Impulse proportional zur Spannung im Versorgungsnetz an den Eingängen aller Gleichrichter im Block nach dem gleichen Gesetz ändert, stabilisiert die Stabilisierung einer der Ausgangsspannungen mittels PWM alle anderen. Um diesen Effekt zu verstärken, sind die Filterdrosseln L1.1 – L1.4 aller Gleichrichter auf einen gemeinsamen Magnetkern gewickelt. Die magnetische Verbindung zwischen ihnen synchronisiert zusätzlich die in den Gleichrichtern ablaufenden Prozesse. Für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Gleichrichters mit L-Filter ist es erforderlich, dass sein Laststrom abhängig von der Induktivität der Filterdrossel und der Pulsfrequenz einen bestimmten Mindestwert überschreitet. Diese Anfangslast wird durch die Widerstände R4–R7 erzeugt, die parallel zu den Ausgangskondensatoren C5–C8 geschaltet sind. Sie dienen auch dazu, die Entladung von Kondensatoren nach dem Ausschalten der USV zu beschleunigen. Manchmal wird mit einem integrierten Stabilisator der Serie 5 aus einer Spannung von -12 V ohne separaten Gleichrichter eine Spannung von -7905 V gewonnen. Inländische Analoga sind die Mikroschaltungen KR1162EN5A, KR1179EN05. Der von Computerknoten entlang dieses Stromkreises verbrauchte Strom beträgt normalerweise nicht mehr als mehrere hundert Milliampere. In einigen Fällen werden integrierte Stabilisatoren in anderen USV-Kanälen installiert. Diese Lösung eliminiert den Einfluss einer wechselnden Last auf die Ausgangsspannungen, verringert jedoch den Wirkungsgrad des Geräts und wird aus diesem Grund nur in Kanälen mit relativ geringer Leistung eingesetzt. Ein Beispiel ist das in Abb. gezeigte Diagramm der USV-Gleichrichterbaugruppe PS-6220C. 8. Dioden VD7 - VD10 - Schutz.
Wie in den meisten anderen Geräten enthält der +5-V-Spannungsgleichrichter hier Schottky-Dioden (VD6-Baugruppe), die sich durch einen geringeren Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung und eine geringere Erholungszeit des Rückwärtswiderstands als herkömmliche Dioden auszeichnen. Beide Faktoren begünstigen die Effizienzsteigerung. Leider erlaubt die relativ niedrige zulässige Sperrspannung den Einsatz von Schottky-Dioden im +12-V-Kanal nicht. Bei dem betrachteten Gerät wird dieses Problem jedoch durch die Reihenschaltung zweier Gleichrichter gelöst: Die fehlenden 5 V werden addiert 7 V durch einen Gleichrichter auf der Schottky-Diodenanordnung VD5. Um für Dioden gefährliche Spannungsspitzen zu vermeiden, die in den Transformatorwicklungen an Impulsfronten auftreten, sind Dämpfungsschaltungen R1C1, R2C2, R3C3 und R4C4 vorgesehen. STEUERGERÄT In den meisten „Computer“-USVs basiert dieses Gerät auf dem PWM-Controller-Chip TL494CN (inländisches Analogon – KR1114EU4) oder seinen Modifikationen. Der Hauptteil des Diagramms eines solchen Knotens ist in Abb. dargestellt. In Abb. 9 zeigt auch die Elemente der inneren Struktur der erwähnten Mikroschaltung.
Als Master dient der Sägezahnspannungsgenerator G1. Seine Häufigkeit hängt von den Nennwerten der externen Elemente R8 und C3 ab. Die erzeugte Spannung wird zwei Komparatoren (A3 und A4) zugeführt, deren Ausgangsimpulse vom ODER-Element D1 summiert werden. Als nächstes werden die Impulse über die NOR-Elemente D5 und D6 den Ausgangstransistoren der Mikroschaltung (V3, V4) zugeführt. Impulse vom Ausgang des Elements D1 kommen auch am Zähleingang des Triggers D2 an und jeder von ihnen ändert den Zustand des Triggers. Wenn also ein Protokoll an Pin 13 der Mikroschaltung angelegt wird. 1 oder, wie im betrachteten Fall, frei gelassen wird, wechseln sich die Impulse an den Ausgängen der Elemente D5 und D6 ab, was zur Steuerung eines Gegentaktwechselrichters erforderlich ist. Wenn der TL494-Chip in einem Single-Ended-Spannungswandler verwendet wird, wird Pin 13 mit der gemeinsamen Leitung verbunden, wodurch der Trigger D2 nicht mehr an der Operation beteiligt ist und an allen Ausgängen gleichzeitig Impulse erscheinen. Element A1 ist ein Fehlersignalverstärker im USV-Ausgangsspannungsstabilisierungskreis. Diese Spannung (in diesem Fall +5 V) wird über einen Widerstandsteiler R1R2 einem der Verstärkereingänge zugeführt. An seinem zweiten Eingang liegt eine Referenzspannung an, die vom im Chip eingebauten Stabilisator A5 über einen Widerstandsteiler R3 - R5 gewonnen wird. Die Spannung am Ausgang A1, proportional zur Differenz zwischen den Eingangsspannungen, legt die Betriebsschwelle des Komparators A4 und damit das Tastverhältnis der Impulse an seinem Ausgang fest. Da die Ausgangsspannung der USV vom Arbeitszyklus abhängt (siehe oben), wird sie in einem geschlossenen System unter Berücksichtigung des Teilungskoeffizienten R1R2 automatisch auf der Beispielspannung gehalten. Die R7C2-Kette ist für die Stabilität des Stabilisators notwendig. Der zweite Verstärker (A2) wird in diesem Fall durch Anlegen der entsprechenden Spannungen an seine Eingänge abgeschaltet und ist nicht am Betrieb beteiligt. Die Funktion des Komparators A3 besteht darin, das Vorhandensein einer Pause zwischen den Impulsen am Ausgang des Elements D1 zu gewährleisten, auch wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers A1 außerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Die minimale Ansprechschwelle A3 (bei Anschluss von Pin 4 an Masse) wird durch die interne Spannungsquelle GV1 eingestellt. Mit zunehmender Spannung an Pin 4 erhöht sich die minimale Pausendauer, daher sinkt die maximale Ausgangsspannung der USV. Diese Eigenschaft dient dem reibungslosen Anlauf der USV. Tatsache ist, dass im ersten Betriebsmoment des Geräts die Filterkondensatoren seiner Gleichrichter vollständig entladen sind, was einem Kurzschluss der Ausgänge mit dem gemeinsamen Kabel gleichkommt. Das sofortige Starten des Wechselrichters „bei voller Leistung“ führt zu einer enormen Überlastung der Transistoren der leistungsstarken Kaskade und deren möglichen Ausfall. Die Schaltung C1R6 sorgt für einen sanften, überlastfreien Start des Wechselrichters. Im ersten Moment nach dem Einschalten wird der Kondensator C1 entladen und die Spannung an Pin 4 von DA1 liegt nahe bei +5 V, empfangen vom Stabilisator A5. Dies garantiert eine Pause von maximal möglicher Dauer, bis zum völligen Fehlen von Impulsen am Ausgang der Mikroschaltung. Wenn sich der Kondensator C1 über den Widerstand R6 auflädt, sinkt die Spannung an Pin 4 und damit auch die Dauer der Pause. Gleichzeitig erhöht sich die Ausgangsspannung der USV. Das geht so lange, bis es sich dem Vorbildlichen annähert und eine stabilisierende Rückmeldung eintritt. Eine weitere Aufladung des Kondensators C1 hat keinen Einfluss auf die Vorgänge in der USV. Da der Kondensator C1 vor dem Einschalten jeder USV vollständig entladen werden muss, sind in vielen Fällen Schaltungen für seine Zwangsentladung vorgesehen (in Abb. 9 nicht dargestellt). ZWISCHENKASKADE Die Aufgabe dieser Kaskade besteht darin, die Impulse zu verstärken, bevor sie leistungsstarken Transistoren zugeführt werden. Manchmal fehlt die Zwischenstufe als eigenständige Einheit, da sie Teil der Hauptoszillator-Mikroschaltung ist. Das Diagramm einer solchen Kaskade, die in der USV PS-200B verwendet wird, ist in Abb. dargestellt. 10. Der Anpasstransformator T1 entspricht hier dem gleichnamigen in Abb. 5.
Die APPIS-USV verwendet eine Zwischenstufe gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung. 11, die sich von der oben diskutierten durch das Vorhandensein von zwei Anpassungstransformatoren T1 und T2 unterscheidet – separat für jeden Leistungstransistor. Die Polarität der Transformatorwicklungen ist so, dass sich der Zwischenstufentransistor und der ihm zugeordnete Leistungstransistor gleichzeitig im offenen Zustand befinden. Ohne besondere Maßnahmen führt die Ansammlung von Energie in den Magnetkreisen der Transformatoren nach einigen Zyklen des Wechselrichterbetriebs zu deren Sättigung und einer deutlichen Abnahme der Induktivität der Wicklungen.
Betrachten wir die Lösung dieses Problems am Beispiel einer der „Hälften“ der Zwischenstufe mit Transformator T1. Wenn der Transistor der Mikroschaltung offen ist, ist die Wicklung Ia mit der Stromquelle und dem gemeinsamen Draht verbunden. Durch ihn fließt ein linear ansteigender Strom. In der Wicklung II wird eine positive Spannung induziert, die in den Basiskreis des leistungsstarken Transistors gelangt und diesen öffnet. Wenn der Transistor im Mikrokreis geschlossen ist, wird der Strom in der Wicklung Ia unterbrochen. Da sich der Magnetfluss im Magnetkern des Transformators jedoch nicht sofort ändern kann, entsteht in der Wicklung Ib ein linear abnehmender Strom, der durch die geöffnete Diode VD1 vom gemeinsamen Draht zum Plus der Stromquelle fließt. Somit kehrt die während des Impulses im Magnetfeld angesammelte Energie während der Pause zur Quelle zurück. Die Spannung an Wicklung II ist während einer Pause negativ und der leistungsstarke Transistor ist geschlossen. Die zweite „Hälfte“ der Kaskade mit Transformator T2 funktioniert ähnlich, jedoch gegenphasig. Das Vorhandensein pulsierender Magnetflüsse mit konstanter Komponente in Magnetkreisen führt dazu, dass Masse und Volumen der Transformatoren T1 und T2 erhöht werden müssen. Im Allgemeinen ist eine Zwischenstufe mit zwei Transformatoren nicht sehr erfolgreich, obwohl sie weit verbreitet ist. Wenn die Leistung der Transistoren der Mikroschaltung TL494CN nicht ausreicht, um die Ausgangsstufe des Wechselrichters direkt zu steuern, verwenden Sie eine Schaltung ähnlich der in Abb. 12, die die Zwischenstufe der USV KYP-150W zeigt. Die Hälften der Wicklung I des Transformators T1 dienen als Kollektorlasten der Transistoren VT1 und VT2, die abwechselnd durch Impulse geöffnet werden, die von der Mikroschaltung DA1 kommen. Der Widerstand R5 begrenzt den Kollektorstrom der Transistoren auf ca. 20 mA. Durch die Verwendung der Dioden VD1, VD2 und des Kondensators C1 an den Emittern der Transistoren VT1 und VT2 beträgt die für deren zuverlässiges Schließen erforderliche Spannung +1,6 V. Die Dioden VD4 und VD5 dämpfen die Schwingungen, die beim Schalten von Transistoren im durch die Induktivität der Wicklung gebildeten Stromkreis auftreten I des Transformators T1 und seiner eigenen Kapazität. Die Diode VD3 schließt, wenn der Spannungsstoß am mittleren Anschluss der Wicklung I die Kaskadenversorgungsspannung überschreitet.
Eine andere Version der Zwischenstufenschaltung (UPS ESP-1003R) ist in Abb. dargestellt. 13.
In diesem Fall sind die Ausgangstransistoren der DA1-Mikroschaltung gemäß einer gemeinsamen Kollektorschaltung verbunden. Die Kondensatoren C1 und C2 verstärken. Wicklung I des Transformators T1 hat keinen Mittelanschluss. Je nachdem, welcher der Transistoren VT1, VT2 gerade geöffnet ist, wird der Wicklungskreis über den Widerstand R7 oder R8, der mit dem Kollektor des geschlossenen Transistors verbunden ist, zur Stromquelle geschlossen. FEHLERBEHEBUNG Vor der Reparatur der USV muss diese aus der Computersystemeinheit entfernt werden. Trennen Sie dazu den Computer vom Netzwerk, indem Sie den Stecker aus der Steckdose ziehen. Lösen Sie nach dem Öffnen des Computergehäuses alle USV-Anschlüsse und entfernen Sie die USV, indem Sie die vier Schrauben an der Rückwand der Systemeinheit lösen. Entfernen Sie dann die U-förmige Abdeckung des USV-Gehäuses, indem Sie die Befestigungsschrauben lösen. Die Leiterplatte kann durch Lösen der drei selbstschneidenden Schrauben, mit denen sie befestigt ist, entfernt werden. Ein Merkmal vieler USV-Platinen besteht darin, dass die Leiterbahn des gemeinsamen Kabels in zwei Teile geteilt ist, die nur durch das Metallgehäuse des Geräts miteinander verbunden sind. Auf der aus dem Gehäuse entnommenen Platine müssen diese Teile mit einer Freileitung verbunden werden. Wenn das Netzteil vor weniger als einer halben Stunde vom Stromnetz getrennt wurde, müssen Sie auf der Platine Oxidkondensatoren mit 220 oder 470 uF x 250 V finden und entladen (dies sind die größten Kondensatoren im Block). Während des Reparaturvorgangs wird empfohlen, diesen Vorgang nach jeder Trennung des Geräts vom Netz zu wiederholen oder die Kondensatoren vorübergehend mit 100...200 kOhm-Widerständen mit einer Leistung von mindestens 1 W zu überbrücken. Zunächst untersuchen sie die Teile der USV und identifizieren diejenigen, die eindeutig fehlerhaft sind, beispielsweise solche, die verbrannt sind oder Risse im Gehäuse aufweisen. Wenn der Ausfall des Geräts durch eine Fehlfunktion des Lüfters verursacht wurde, sollten Sie die auf den Kühlkörpern installierten Elemente überprüfen: leistungsstarke Transistoren des Wechselrichters und Schottky-Diodenbaugruppen der Ausgangsgleichrichter. Wenn Oxidkondensatoren „explodieren“, wird ihr Elektrolyt durch das Gerät versprüht. Um eine Oxidation spannungsführender Metallteile zu vermeiden, muss der Elektrolyt mit einer leicht alkalischen Lösung abgewaschen werden (z. B. durch Verdünnen des „Fairy“-Produkts mit Wasser im Verhältnis 1:50). Nachdem Sie das Gerät an das Netzwerk angeschlossen haben, sollten Sie zunächst alle Ausgangsspannungen messen. Stellt sich heraus, dass in mindestens einem der Ausgangskanäle die Spannung nahe am Nennwert liegt, sollte der Fehler in den Ausgangskreisen der fehlerhaften Kanäle gesucht werden. Wie die Praxis zeigt, fallen Ausgangsschaltungen jedoch selten aus. Im Falle einer Fehlfunktion aller Kanäle ist die Methode zur Fehlerermittlung wie folgt. Messen Sie die Spannung zwischen dem Pluspol des Kondensators C4 und dem Minuspol von C5 (siehe Abb. 4) oder dem Kollektor des Transistors VT1 und dem Emitter VT2 (siehe Abb. 5). Liegt der Messwert deutlich unter 310 V, Sie müssen die Diodenbrücke VD1 (siehe Abb. 4) oder die einzelnen Dioden, aus denen sie besteht, überprüfen und gegebenenfalls ersetzen. Wenn die gleichgerichtete Spannung normal ist, das Gerät aber nicht funktioniert, sind höchstwahrscheinlich einer oder beide Transistoren der leistungsstarken Wechselrichterstufe (VT1, VT2, siehe Abb. 5), die den größten thermischen Überlastungen ausgesetzt sind, ausgefallen. Wenn die Transistoren funktionieren, müssen nur noch die Mikroschaltung TL494CN und die zugehörigen Schaltkreise überprüft werden. Ausgefallene Transistoren können durch inländische oder importierte Analoga ersetzt werden, die hinsichtlich elektrischer Parameter, Gesamt- und Installationsabmessungen geeignet sind, basierend auf den in der Tabelle angegebenen Daten. 2.
Ersatzdioden werden gemäß der Tabelle ausgewählt. 3.
Die Gleichrichterdioden des Netzgleichrichters (siehe Abb. 4) können erfolgreich durch inländische KD226G, KD226D ersetzt werden. Verfügt der Netzgleichrichter über Kondensatoren mit einer Kapazität von 220 μF, empfiehlt es sich, diese durch 470 μF zu ersetzen; auf der Platine ist in der Regel dafür Platz. Um Störungen zu reduzieren, empfiehlt es sich, jede der vier Gleichrichterdioden mit einem 1000 pF-Kondensator auf eine Spannung von 400...450 V zu überbrücken. Die Transistoren 2SC3039 können durch inländische KT872A ersetzt werden. Aber die Dämpfungsdiode PXPR1001 als Ersatz für die ausgefallene Diode ist selbst in Großstädten schwer zu kaufen. In dieser Situation können Sie drei in Reihe geschaltete KD226G- oder KD226D-Dioden verwenden. Es ist möglich, die ausgefallene Diode und den dadurch geschützten leistungsstarken Transistor durch den Einbau eines Transistors mit eingebauter Dämpfungsdiode, zum Beispiel 2SD2333, 2SD1876, 2SD1877 oder 2SD1554, zu ersetzen. Es ist zu beachten, dass viele USVs, die nach 1998 auf den Markt kamen, bereits einem solchen Austausch unterzogen wurden. Um die Zuverlässigkeit des IEP-Betriebs zu erhöhen, wird empfohlen, Drosseln mit einer Induktivität von 7 μH parallel zu den Widerständen R8 und R5 zu schalten (siehe Abb. 4). Sie können mit Draht mit einem Durchmesser von mindestens 0,15 mm in Seidenisolierung auf beliebige Ringmagnetkerne gewickelt werden. Die Anzahl der Windungen wird nach bekannten Formeln berechnet. Viele USVs verfügen nicht über einen Abstimmwiderstand zur Anpassung der Ausgangsspannung (R3, siehe Abb. 9), stattdessen ist ein konstanter eingebaut. Wenn eine Anpassung erforderlich ist, kann dies durch die vorübergehende Installation eines Trimmwiderstands und dessen erneutes Ersetzen durch eine Konstante des gefundenen Werts erfolgen. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, ist es sinnvoll, die importierten Oxidkondensatoren, die in den Filtern der leistungsstärksten +12-V- und +5-V-Gleichrichter installiert sind, durch K50-29-Kondensatoren mit gleicher Kapazität und Spannung zu ersetzen. Es ist zu beachten, dass auf den Platinen vieler USVs nicht alle im Stromkreis vorgesehenen Kondensatoren installiert sind (anscheinend um Geld zu sparen), was sich negativ auf die Eigenschaften des Geräts auswirkt. Es wird empfohlen, die fehlenden Kondensatoren an den dafür vorgesehenen Stellen zu installieren. Vergessen Sie beim Zusammenbau des Geräts nach der Reparatur nicht, die vorübergehend installierten Brücken und Widerstände zu entfernen und auch den eingebauten Lüfter an den entsprechenden Anschluss anzuschließen. Literatur
Autor: R. Aleksandrov, Maloyaroslavets, Region Kaluga
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