Обратная полярность блок питания

Обновлено: 04.07.2024

Такой источник питания позволяет плавно изменять не только значение выходного напряжения, но и его полярность. Его можно использовать, например, для управления моделью железной дороги или для других подобных целей.

Схема представляет собой обычный двуполярный блок питания с замкнутыми между собой выходами каждого «плеча». В результате, при среднем положении движка переменного резистора, транзисторы каждого «плеча» закрыты и на выходе напряжение отсутствует.

При вращении движка в ту или другую сторону открываются соответствующие транзисторы и на выходе появляется напряжение той или иной полярности, величина которого регулируется от «нуля» до «максимума».

Максимальное значение выходного напряжения и выходная мощность зависят от применённого в схеме трансформатора и параметров других электронных элементов.

Например, для получения выходного напряжения от «минус» до «плюс» 12 вольт потребуется трансформатор со вторичной обмоткой с отводом от середины и напряжением каждой из половин обмоток по 12 вольт (переменное напряжение).

Электролитические конденсаторы С1 и С2 могут быть ёмкостью от 500 мкФ и выше, от их значения зависит величина пульсаций выходного напряжения.

Диоды выпрямителя можно взять типов КД226, КД105, 1N4001 — 1N4007 или подобные, в зависимости от напряжения и мощности нагрузки, или использовать подходящий по параметрам диодный мост.

Стабилитроны VD1, VD2 — типа Д814Д (для выходного напряжения +/- 12 вольт) или аналогичные импортные. Для получения других значений максимального выходного напряжения следует применить соответствующие этому силовой трансформатор и стабилитроны. Переменный резистор может быть сопротивлением от 3 до 15 кОм.

Транзисторы в схеме можно заменить на любые аналогичные, соответствующей структуры и мощности. Например транзисторы КТ502, КТ503 можно заменить на КТ361 и КТ315 соответственно. Вместо КТ817 применить КТ805, КТ814, В1274, D400, а вместо КТ816 — КТ814, КТ837, А1658, В1366 и другие эквивалентные.

Подбора по параметрам транзисторы не требуют. Также схема не нуждается ни в каких настройках и при исправных деталях и правильной сборке начинает работать сразу.

Мощные регулирующие транзисторы (КТ816 и КТ817) следует установить на радиаторы-теплоотводы, размер которых зависит от применённых транзисторов и выходной мощности блока питания.

Итак - у нас есть однополярный блок питания, либо как-либо иной элемент постоянного напряжения, но нам необходим ещё один источник того же напряжения, но обратной полярности для того, чтобы в сухом остатке поиметь двуполяный агрегат.
Ясен пень, что лезть внутрь готового БП нам неохота, доматывать ещё одну обмотку трансформатора - ещё больше неохота. А охота нам посидеть, подумать, а там глядишь - да и спаять инвертор напряжения, т. е. устройство, которое преобразует полярность имеющегося напряжения на обратную.

Конечно, проще всего эту затею реализовать на специализированной микросхеме, такой как - ICL7660.

Рис.1 Схема включения микросхемы ICL7660

Микросхема ICL7660 — это слаботочный (до 20мА выход) инвертор напряжения, который преобразует положительное напряжение питания в отрицательное, иначе говоря - преобразователь полярности напряжения. Схема включения очень простая, содержит минимальное количество внешних элементов и в настройке не нуждается.
Может использоваться в устройствах с малым потреблением и ограниченными массогабаритными характеристиками.
Интегральная микросхема ICL7660 работает в диапазоне напряжений 1,5. 10 В, а ICL7660A - 1,5. 12 В.
Собственный ток потребления преобразователя полярности - не более 80-170 мкА.
Частота переключения — 10 кГц.
КПД — 98%.
Если напряжение питания меньше 3,5 В, то выход 6 микросхемы необходимо заземлить.

При желании всё ж таки изготовить инвертор полярности из дискретных элементов, предварительно следует ознакомиться с принципом работы большинства подобных устройств - преобразователями на коммутируемых конденсаторах. Принцип работы преобразователя на двух электронных ключах поясняет схема, приведённая на Рис.2.

Рис.2 Схема преобразования полярности на электронных ключах

Переключателями S1 и S2 управляют два противофазных сигнала.
Когда замкнуты "контакты" переключателя S1 (и разомкнуты S2), конденсатор С1 заряжается от источника питания через диод VD2 до уровня Uпит минус падение напряжения на открытом диоде VD2.
Затем, когда "контакты" переключателя S1 размыкаются, a S2 замыкаются, конденсатор С1 оказывается подключённым к конденсатору С2 через диод VD1. Вследствие этого происходит его разрядка на конденсатор С2. Напряжение на конденсаторе С2 увеличится на некоторую величину, определяемую соотношением номиналов С1 и С2 и через нескольких периодов переключений достигнет установившегося значения ≈ Uпит - 2Uпр.д.

Практическая реализация преобразователя полярности показана на Рис.2 справа. Здесь в качестве переключателей S1 и S2 использованы два комплементарных транзистора, управляемые одним общим сигналом в противофазе.

Если убрать из схемы накопительный конденсатор С2 и посмотреть сигнал на минусовом выводе преобразователя осциллографом, то мы увидим на нагрузке прямоугольный сигнал отрицательной полярности со скважностью, равной скважности управляющих импульсов.
А если добавить ещё один каскад (с такими же ключами и диодами), работающий в противофазе с первым, то на нагрузке будет чистый минусовой уровень с наносекундными выбросами в моменты переходных процессов, связанных с инерционностью полупроводников.
В этом случае, помимо значительного снижения уровня пульсаций выходного напряжения, достигается и эффект удвоения мощности устройства.

Большинство преобразователей, описанных в разнообразных источниках, выполнены на биполярных транзисторах, что не позволяет им достигать высоких значений КПД в связи со значительными величинами токов, требуемых им в цепях управления. Из этих соображений схемы, приведённые ниже, выполнены на ключевых MOSFET транзисторах, а потому при отсутствии нагрузки - имеют потребление тока, близкое к нулю.

Рис.3 Схема преобразования полярности на цифровых КМОП элементах

Схема, изображённая на Рис.3, представляет собой слаботочный инвертор напряжения с выходным током - до 30. 40 мА.
Использование в качестве генератора микросхемы триггера шмитта CD4093 (КР1561ТЛ1) позволило снизить собственный ток потребления преобразователя до значений - не превышающих 100 мкА.
Микросхемы CD4049 (КР1561ЛН2) представляют собой пару электронных ключей, работающих в противофазе, что обеспечивает низкий уровень пульсаций выходного напряжения, а так же двойную мощность преобразования по сравнению с одиночным ключом (Рис.2).
Выбор в качестве диодов D1. D4 диодов шоттки с малым падением прямого напряжения позволило снизить разницу между разнополярными напряжениями до значений 0,5. 0,6В.

При необходимости получить от преобразователя полярности токи, исчисляемые сотнями миллиампер, электронные ключи следует выполнить на MOSFET транзисторах, имеющими малое сопротивление открытого канала и позволяющими работать с мощностями, значительно превышающими возможности инверторов CD4049 (Рис.4).

Рис.4 Схема преобразования полярности на MOSFET транзисторах

Максимальный выходной ток преобразователя определяется величинами максимально допустимых токов используемых транзисторов.
При напряжении питания 12В и токе нагрузки, не превышающем 50мА, выходное напряжение составляет величину -11,4В. При дальнейшем увеличении тока нагрузки, модуль выходного напряжения начинает падать и при 200мА составляет величину 11В.
Напряжение высокочастотных пульсаций в нагрузке не превышает значений 10. 20мВ.
Применять сильно мощные полевики в данной схеме не рекомендуется из-за значительного снижения КПД, связанного с большими значениями входных ёмкостей таких полупроводников. Следствием этих ёмкостей будет являться затягивание фронтов управляющих сигналов, что в свою очередь приведёт к протеканию значительных сквозных токов через транзисторы.
При необходимости увеличить мощность инвертора имеет смысл совместить схемы с Рис.3 и Рис.4, т.е. подключить затворы мощных MOSFET-ов к выходам запараллеленных инверторов DD2 и DD3.

Подключение проводов блока питания при сборке ПК — одна из самых серьезных задач, с которой сталкиваются начинающие пользователи. Все слышали фразу «с электричеством шутки плохи», и нужно понимать, что в случае неправильного подключения проводов можно запросто повредить дорогие комплектующие. Чтобы этого не случилось, нужно знать распиновку разъемов БП, максимальную нагрузку на каждый разъем и положение ключей, которые не дают подключить провода неправильно. В этой статье вы найдете всю информацию на эту тему.

Стандарты блоков питания для ПК и их разъемов развиваются уже почти 40 лет — со времен выхода первых компьютеров IBM PC. За это время сменилось несколько стандартов AT и ATX. Казалось бы, все возможные разъемы уже придуманы и ничего нового не требуется, но осенью этого года ожидается выход видеокарт Nvidia GeForce RTX 3000-й серии, который принесет с собой новый, 12-контактный разъем питания. Производители уже стали добавлять в комплекты проводов новых БП коннектор 12-Pin Micro-Fit 3.0. Будет неудивительно, если этот разъем питания дополнит новые стандарты ATX.

Перед тем, как перейти к описанию и распиновке всех разъемов в современном БП, хотелось бы напомнить, что основные напряжения, которые нам встретятся, это +3.3 В, +5 В и +12 В. Сейчас основное напряжение, которое требуется и процессору, и видеокарте — это +12 В. В свою очередь, +5 В нужно накопителям, а +3.3 В используется все реже.

И если взглянуть на табличку, которая есть на боку каждого БП, мы увидим выдаваемые им напряжения, токи и мощность по каждому из каналов.

Разъем Molex

Начнем с самого древнего разъема, который почти без изменений дошел до наших времен, появившись у первых «персоналок». Это всем известный 4-контактный разъем, называемый Molex.

Сегодня сфера применения этого разъема сузилась до питания корпусных вентиляторов, передних панелей корпусов ПК, разветвителей и переходников питания видеокарт и накопителей. Например, переходников питания видеокарты «Molex — PCI-E 6 pin». Несмотря на то, что разъем выдает до 11 А на контакт, а значит, может дать видеокарте, в теории, 132 ватта мощности, использовать его стоит крайне осторожно.

Надо учитывать, что толщина проводов может не соответствовать такой мощности, а сами контакты могут быть разболтанными, с неплотной посадкой. В результате это чревато нагревом проводов, контактов и расплавлению изоляции.

Если вам обязательно требуется такой переходник, выбирайте модель с двумя разъемами Molex.

Обязательно проверяйте качество контактов переходника и вставляйте его надежно, до упора. Для защиты от неправильного подключения в разъеме предусмотрены два скоса.

Внимание! Несмотря на то, что скосы не дают воткнуть разъем другой стороной, при определенном усилии и разболтанных гнездах есть вероятность воткнуть разъем, развернутый на 180 градусов, что приведет к выходу из строя оборудования.

24-контактный разъем питания материнской платы

Этот разъем появился в спецификациях ATX12V 2.0 в 2004 году и заменил устаревший 20-контактный разъем. Он может обеспечить довольно серьезные мощности для питания процессора, видеокарты и материнской платы: по линии +3.3 В — 145.2 Вт, по линии +5 В — 275 Вт и 264 Вт по линии +12 В (при использовании контактов Molex Plus HCS).

Примечание. Контакты Molex сертифицированы на ток 6 А. Molex HCS — до 9 А. А Molex Plus HCS — до 11 А.

Разъемы питания процессора

Энергопотребление процессоров неуклонно росло последние 20 лет, что потребовало дополнительных разъемов питания для них. И в спецификациях ATX12V был введен дополнительный 4-контактный разъем питания процессора +12 В.

Сегодня даже на бюджетных материнских платах мы встречаем именно этот разъем, который теоретически может подать на питание процессора мощность до 576 Вт.

Разъем питания 3.5" дисководов

Еще один разъем, уже практически не встречающийся на новых БП. Ранее использовался для питания дисководов 3.5" и некоторых карт расширения.

Разъем питания SATA

Стандартный разъем для питания HDD, DVD и 2.5" SSD-приводов. Надежный и удобный разъем, воткнуть который другой стороной не получится из-за расположения специальных выступов. Ток, потребляемый HDD и SSD, довольно небольшой и беспокоиться о нагреве таких разъемов не стоит.

Разъемы дополнительного питания видеокарт

В начале нулевых годов резко выросло энергопотребление видеокарт, что потребовало для них специальных разъемов питания, принятых в спецификациях ATX12V 2.x.

Спецификация PCI Express x16 Graphics 150W-ATX Specification 1.0 была принята рабочей группой PCI-SIG в 2004 году. Она представила 6-контактный разъем, который может давать видеокарте 75 Вт мощности. И еще 75 Вт берутся со слота PCI-E x16. Получившиеся в сумме 150 ватт достаточны для питания видеокарт среднего уровня, например, GeForce GTX 1650 SUPER.

Производители видеокарт обычно стараются разгрузить питание по слоту PCI-E x16 и обеспечить запас питания для разгона, поэтому видеокарты с потреблением 120 ватт и выше, например, GeForce GTX 1660 SUPER, все чаще оснащаются восьмипиновым разъемом питания.

Вставить неправильно разъемы этого типа не получится: скосы на пинах расположены в строго определенном порядке. Но нужно подключать питание до упора — до защелкивания предохранительного язычка.

Выводы

Как вы могли заметить, все разъемы на современных БП разработаны так, чтобы исключить неправильное подключение. Также они обеспечивают избыточную надежность по нагрузке питания, что достигается увеличением числа контактов.

Но при сборке ПК не помешает помнить распиновки всех разъемов и максимальную силу тока, которую может выдержать разъем. Если пренебречь этими знаниями, можно рано или поздно повредить комплектующие. С подобным в период «крипто-лихорадки» 2017-2018 года столкнулись майнеры, у которых массово горели дешевые переходники питания видеокарт «Molex — PCI-E 6 pin».

Питание устройств любой полярностью или защита от переполюсовки

Не редко даже опытные электронщики допускают ошибки при подключении источника питания к электронным устройствам, происходит это конечно же не из - за отсутствия определенных навыков и знаний, а часто из - за спешки или не внимательности. Феномен известный - переполюсовка, и для приборов питающихся постоянным напряжением частенько такое включение бывает фатальным.
Многие производители устройств питающихся от отдельного источника питания (например: автомобильные усилители, автомагнитолы, портативные телевизоры и мониторы и др.) применяют защиту от переполюсовки в своих устройствах, как правило это обычный диод включенный по входу после предохранителя рис. 1., в таких устройствах после переполюсовки сгорает предохранитель и как правило пробивает защитный диод, на исправление ошибки уже потребуется потратить время хоть и не много.

Минусов в этой схеме не мало, и зачастую "псевдо мастера" пытаются починить это все по месту и с гвоздем вместо предохранителя все же дожигают устройство. .
Другое дело если бы устройство питалось от любой полярности, то есть само коммутировало себе питание, своеобразная "защита от дураков" - если так можно сказать. Первое что приходит на ум это конечно старый добрый диодный мост на входе в устройство рис. 2.

Такое устройство будет питаться от любой полярности, ну и конечно же и от переменного и импульсного тока тоже, как видно на схеме выше, при питании от разной полярности ток просто протекает через определенный диод, и как не подключай питание - устройство будет работать, и страшного ничего не произойдет. Но конечно же в этой схеме есть и существенные недостатки: статические потери при протекании токов, от сюда и потеря напряжения и выделение существенного тепла, поэтому применять такую схему можно только для устройств с малым током потребления.
Вариант улучшенной схемы коммутатора питания показан на рис.3, здесь вместо диодов применяются MOSFET-транзисторы, два P-канальных и два N-канальных, поскольку сопротивление сток-исток в открытом состоянии (RDS(on)) ничтожно мало, а транзисторы после включения постоянно в одном состоянии, то и потери в этой схеме просто мизерные. Нагрева в режиме ключа так же по понятным причинам нет.

Рассмотрим как работает схема, при подаче питания, напряжение через резисторы R1, R2 попадает на затворы VT1, VT2, VT3, VT4, а поскольку P-канальные транзисторы открываются отрицательным напряжением, N-канальные положительным, у нас в зависимости от полярности питания откроется пара VT1, VT4 или VT2, VT3 в обоих случаях на анодах VD1, VD3 будет минус , а на катодах VD2, VD4 плюс питания. Таким образом получаем автоматический коммутатор входной полярности.
Теперь о деталях: Транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4, выбираются в зависимости от напряжения питания и тока потребителя, собственно схему можно выполнить вообще без стабилитронов и резисторов в случае если питающее напряжение не превышает максимально допустимое напряжение на затворах. Стабилитроны VD1, VD2, VD3, VD4 - ограничивают максимальное напряжение на затворах, их значение должно быть близко к максимальному напряжению затворов, но не превышать его. Резисторы R1, R2 токоограничивающие, их сопротивление можно рассчитать по формуле

R = (Uвх-Uстаб.) / Iстаб.

Где:
R - сопротивление резисторов в кОм
Uвх. - максимальное напряжение на входе
Uстаб. - напряжение стабилизации стабилитронов
Iстаб. - макс. ток стабилизации стабилитрона

Решение об обоснованности применения той или иной цепи в своих устройствах как правило принимает конструктор, но порой достаточно простая защита может избавить от многих бед при наладке и использовании устройств.

Читайте также: