Индикатор Уровня Напряжения ATX Блоков Питания Компьютера (ИУНATXБПК)

Автор: KomSoft
Опубликовано 11.02.2014
Создано при помощи КотоРед.

В журнале "Радио" эта статья могла бы называться "по следам наших публикаций"...

Приятным и полезным дополнением для проверки блоков питания ATX под нагрузкой (или без оной) может стать предлагаемое устройство.

Введение.

Все основные характеристики и требования к компьютерным блокам питания в той или иной степени описаны в документах, известных как ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2, SSI EPS12V Power Supply Design Guide Version 2.91 и аналогичных. Эта документация предназначается производителям блоков питания для обеспечения совместимости их аппаратуры с общепринятым стандартом ATX. Сюда входят геометрические, механические и, конечно же, электрические характеристики устройств. Вся документация доступна в открытом виде в сети Internet. Современный стандарт предписывает наличие каналов с напряжением +5В, +12В, +3.3В, -12В и дежурное напряжение +5В. Обычно по-старинке оставлено еще -5В.

Допустимый уровень отклонения напряжений - эта характеристика является одной из основных и определяет допустимое отклонение каждого из напряжений.

Для индикации нахождения в заданых пределах (или выхода за эти пределы) основных напряжений +5В, +12В, +3.3В и дежурного +5В, а также наличия напряжений -5В, -12В и сигнала Pow_Ok было разработано это устройство. Оно может использоваться самостоятельно, но разумнее его применять для проверки блоков питания под нагрузкой. Идея создания подобного устройства у меня витала давно, но именно после появления у РадиоКота статьи "Тестилка блоков питания персонального компьютера (ТБПК)" (https://radiokot.ru/circuit/analog/measure/35/) эта идея в срочном порядке оформлена в железе.

Схема и принцип работы.

Устройство состоит из 4-х почти одинаковых блоков сравнения. Рассмотрим работу одного из них на примере канала +5В.

На входы 5 и 6 компараторов U2-1 и U2-2 подается измеряемое напряжение, в данном случае +5В. На входы 4 и 7 компараторов U2-1 и U2-2 через делитель R30-R33 подаются пороговые напряжения, полученные из опорного напряжения Uref=+7.5В. Пороговые напряжения задают допустимые границы отклонения измеряемого напряжения. Опорное напряжение подается на резистор R30. Два резистора R30-R31 установлено для более точного подбора делителя из имеющихся номиналов.

Нижний (по схеме) компаратор U2-2 отслеживает заниженное напряжение. Если измеряемое напряжение ниже установленого предела на 5% или более - он устанавливается в 0 (выходной транзистор открывается) и загорается желтый светодиод HL32, индицируя заниженное напряжение.

Если измеряемое напряжение выше установленого предела на 5% или более - в 0 устанавливается верх

Когда напряжение находится в установленых пределах - оба компаратора находятся в 1 (транзисторы закрыты) желтый и красный светодиоды не светятся, а на выходе элемента И-НЕ появляется лог.0, включая зеленый светодиод HL31, который индицирует нахождение измеряемого напряжения в допустимых границах.ний по схеме компаратор и загорается красный светодиод HL31, индицируя завышенное напряжение.

От измеряемого напряжения также запитаны индикаторные светодиоды конкретного блока сравнения. Это сделано для того, чтобы при отсутствии измеряемого напряжения светодиоды не светились, иначе (при запитке их от другого источника) будет индицироваться "заниженное" напряжение.

Для нормальной работы при любых напряжениях блок сравнения запитывается от отдельного источника питания, о котором ниже.

Расчет делителя опорного напряжения для получения пороговых выполнен по следующим формулам: I = Uref / (R1+R2+R3) Ulo = Uref * R3 / (R1+R2+R3) Uhi = Uref (R2+R3) / (R1+R2+R3), отсюда получаем: R1 = (Uref*R3 - Ulo*R2 - Ulo*R3) / Ulo, выразим все через R3: R2 = 2 * p * R3 / (1-p) R1 = R3 * ( Uref / (U0*(1-p)) - 2*p/(1-p) - 1 ) где: Uref - опорное напряжение U0 - номинальное значение напряжения p - допустимое отклонение в % Таким образом, отталкиваясь от допустимого отклонения и нижнего резистора, расчитываем делитель и получаем верхнюю и нижнюю границы напряжений.

Для моделирования составлен проект в Протеусе. А для упрощения расчета и подбора резисторов из имеющихся в наличии прилагается файл Excel.

Но ставить четыре одинаковых блока на разные напряжения нельзя! Для правильной работы нужны маленькие хитрости, про которые сейчас расскажу.

Блок сравнения для напряжения +3.3В отличается наличием резисторов, подтягивающих для его нормальной работы входы элемента И-НЕ к напряжению питания +5В.

Блок сравнения для напряжения +12В отличается наличием стабилизатора на 4.7В (или 5.1В) для снижения питания светодиодов, чтобы не сгорел по входам элемент И-НЕ 74LS00 (по даташиту его максимальное входное напряжение 7В, проверять не будем, доверимся разработчикам). Также, чтобы обойтись опорным напряжением 7.5В, а не завышать его до 14В (ради одного блока), измеряемое напряжение +12В подано на вход через делитель 1:2. Т.е на вход компараторов подается +6В.

Также, учитывая разное рабочее напряжение цветных светодиодов (около 2В для красных и желтых и около 3В для синих и зеленых), для них установлены разные гасящие резисторы.

Вообще, резисторы немного "оптимизированы" для одинаковости использованых номиналов.

Берем бумагу, рисуем разъем АТХ, квадратики (которые на самом деле прямоугольники), соединяем питающими напряжениями.

Схема (дата последней корректировки видна справа внизу):

Следует отметить, что 7 нога U3 подключена к "земле", а 14 нога U3 подключена к Vcc - OrCAD об этом знает.

Обвязка вокруг разъема АТХ взята из ТБПК. Кнопка Pow_On служит для включения блока питания. Для напряжений -5В, -12В и сигнала Pow_Ok просто индицируется наличие напряжения (слишком жирно делать для малоценных и устаревших каналов питания схему сравнения).

Питание схемы.

Первоначально планировалось питать блоки сравнения от канала +12В, но потом появилась дурацкая мысль "А вдруг этот канал не работает или дает сильно заниженное напряжение? А защита в блоке не отработала?". Поэтому для питания схемы использован отдельный Step-Up конвертер на MC34063, источником напряжения для которого используються все напряжения блока питания через сумматор на диодах VD2-VD5.

При подключении блока АТХ к сети, в режиме Stand-By, конвертер работает от дежурки. При включении блока питания и наличия напряжения +12В он отключается, пропуская напряжение напрямую через диод VD1 (или продолжает работать от любого другого присутствующего напряжения), всегда обеспечивая питание схемы и сравнение измеряемых напряжений с пороговыми.

Step-Up конвертер собран по типовой схеме. Светодиод HL4 с резистором R29 индицируют наличие напряжения на плате, в принципе для работы необязательны.

Для упрощения схемы Step-Up конвертер можно исключить, запитав схему от напряжения +12В и помня, что его может не быть! Для этого подаем напряжение +12В с 10 ноги разъема XP1 в точку соединения конденсатора C4, резистора R5 и входа стабилизаора U6.

Выходное напряжение конвертера (+9.7В при питании от дежурки или +11В (остальное падает на диодах VD1, VD4) при наличии +12В, во как хитро) используется для источника опорного напряжения +7.5В на U6 TL431 и стабилизатора питания U6 78L05 микросхемы И-НЕ.

Так простая вначале схема понемногу обросла деталями и перекрестными соединениями. Но мы трудностей не боимся, начинаем разводить плату. Тем более, что впереди семь новогодних выходных - холодно, снега нет, ехать некуда.

Плата.

Валерьянка выпита, вдохновение так и не пришло, плата развелась не очень красиво и изобилует перемычками. Может у кого-то получится лучше. Тем не менее нормально изготавливается методом ЛУТ и хлорного железа. (Кстати, недавно открыл для себя журнал Hi-Tech - прекрасна бумага! Легко читается, печатаем на нем, гладим утюгом секунд 30-40 и в воду. Через 3-5 минут, если страничка была неинтересная, в смысле - сплошной текст без рисунков, берем за краешек и снимаем бумагу. Готово - без всяких подложек, oracal'ов и др. А еще его можно читать!)

Вид платы со стороны выводных деталей (желтым показаны SMD-элементы, они естественно, внизу, с обратной стороны), синим показаны перемычки. Светодиоды HL11-HL13, HL21-HL23, HL31-HL33, HL41-HL43 установлены по-вертикали один над другим: внизу желтый (заниженное напряжение), посередине - зеленый (норма), верхний - красный (завышенное напряжение).

Картинка в конце статьи в виде файла - можно скачать. Там же и вид со стороны дорожек.

Детали.

Плата разведена под SMD 1206 (в основном). Диод VD1 - шоттки, VD2-VD5 - можно обычные, но лучше шоттки, сняты с плат винчестеров.-VD5 - шоттки, сняты с плат винчестеров. Микросхема U3 - 74LS00/74LS01, счетверенный компаратор LM339 можно заменить сдвоенным LM393.

Резисторы R6, R7, R10-R13, R20-R21, R30-R33, R40-R43 - желательно точные. Резисторы R48-R49 также точные (можно других номиналов, но одинаковые!). Можно использовать и резисторы обычной точности, подобрав их для получения указаных на схеме напряжений в контрольных точках.

Светодиоды у меня стоят ультраяркие, ток установлен резисторами 3-5мА. Хотя зеленые можно поставить обычные, по фотографиям увидите, почему.

Грабли, которые прошли мимо.

Вначале я пожадничал и поставил конденсаторы C1, C3 малой емкости - не поверим расчетам. В результате получил, что пульсации напряжения безобразно большие, хуже всего, что они проходят на вход измерения через диод VD2-VD5. Баловался с дросселями до и после преобразователя - помогает, но достаточно оказалось увеличить емкость конденсаторов C1, C3 до 1500 мкФ лучше LowESR от блоков питания или материнок. Пульсации уменьшились до 0,01В, что соответствует точности измерений. Естественно эти пульсации возникают при работе конвертера, при входном напряжении до 10В, т.к. выше конвертер перестает работать и напряжение идет ровное.

Аналогично, стоял керамический конденсатор C5 емкостью 0.1 мкФ параллельно U5 - давал прекрасную "пилу" и ШИМ по индикаторным светодиодам - хоть проводи лабораторную работу. В результате граница переключения возле пороговых напряжений размазывалась до 0,1В, что меня не устраивает (хотя профессионалы могут по яркости свечения пары светодиодов определять уровень отклонения напряжения от номинального). Из окончательной схемы конденсатор удален.

Эти эффекты возникают при работе конвертера, при входном напряжении до 10В, т.к. выше конвертер перестает работать и напряжение ровное.

Проверка работоспособности.

Как говорится, правильно собраная плата из исправных деталей начинает работать сразу. Но поскольку так почти никогда не бывает, после травления проверяем на обрывы и замыкания дорожек, особенно под SMD элементами, аккуратно паяем и начинаем проверку с чего? Правильно, с источника питания!

Подаем от лабораторного блока питания в точку соединения диодов VD2-VD5 напряжение (от 2.5 до 9В) и убеждаемся в работе Step-Up конвертера на MC34063. На его выходе должно быть 9.7В. У меня вначале конвертер не запустился из-за некачественного конденсатора C2. Конвертер должен работать при входном напряжении от 2,5-3 до 10В. При повышении напряжения до 12-13В на его выходе будет на 0.5В (падение на диоде VD1) меньше, чем на входе.

Проверяем напряжение +5В на выходе стабилизатора U6 и образцовое напряжение +7.5В на катоде U5.

Проверяем соответствие пороговых напряжений (указаны на схеме) блоков сравнения на входах компараторов (4, 7, 8 и 11). При несоответствии - проверяем или подбираем резисторы делителей.

Поочередно подаем от лабораторного блока на соответствующие контакты разъема XP1 напряжения +3,3В, +5В_SB, +5В, +12В и изменяя напряжение в пределах +/- 15-20% проверяем индикацию заниженного, нормального и завышенного напряжения в каждом блоке сравнения.

Внимание! Проверять все одновременно одним напряжением, соединив входы +3,3В, +5В_SB, +5В, +12В - нельзя (выше читаем отличия блоков сравнения), т.к. при низком напряжении не засветятся светодиоды в блоках сравнения +5 и +12В, а при завышенном (более 7В) - могут сгореть входные каскады U3 и светодиоды в блоках сравнения +3.3 и +5В!

Устраняем найденые ошибки монтажа и меняем неисправные элементы.

Фотосессия готового изделия (комментарии даю к группе снимков).

1. Плата в сборе.

Обратите внимание на раздел "грабли" и конденсаторы C1, C3 - они еще малой емкости, а C5 присутствует где-то возле TL431. Резисторы также вперемежку точные и не очень, что выпаял с плат - то и впаял. Ниже увидим результат.

Проверка канала +3,3В, красные стрелки показывают на рабочий черновик. Результат вполне устраивает:

Проверка канала +5В, результат тоже вполне соответствует расчетному:

Проверка канала +12В, тоже неплохо:

Как видно, даже при таком наборе резисторов вполне достойный результат.

На этих фото видно, что конденсаторы C1 и C3 уже установлены 1500 мкФ - пороги переключения светодиодов очень четкие.

Фотография недоработаной схемы (с малыми емкостями C1, C3). Из-за больших пульсаций, которые проходят на вход измеряемой цепи, порог переключения плавно размазывается на 0.2В, а то и больше - видно как светятся оба светодиода (зеленый и желтый) и сам порог срабатывания начинается на 0.1В ниже установленого.

Подключаем блок питания. Дежурка работает:

Нажимаем кнопочку - появляются напряжения и они в норме.

И через несколько секунд - загорается Pow_Ok!

Прекрасно видно, что зеленые светодиоды нужно ставить не такие яркие (или уменьшить их ток) - чтобы при нормальной работе не слепили глаза. Яркими лучше сделать желтый и красный - чтобы сразу видно было неисправность.

Подготавливаем нагрузку. Не мудрствуя лукаво, используем ТБПК с небольшими изменениями: для уменьшения локального нагрева заменены резисторы:

по каналу -12В - два 100 Ом х 2Вт одним 51 Ом х 5Вт
по каналу +3.3В - один 1.1 Ом х 10Вт - двумя 2 Ом х 10Вт
по каналу +5В_sb - один 5.6Ом х 5Вт - одним 5.6 Ом х 10Вт
по каналу +5В - один 3.3 Ом х 10Вт - двумя 5.6 Ом х 10Вт
по каналу +12В - два 15 Ом х 10Вт - тремя 20 Ом х 10Вт
Суммарная нагрузка изменилась до 49Вт.

Следующее фото демонстрирует использование ИУНATXБПК совместно с "Модульной электронной нагрузкой" (статья о ней уже почти написана, но ждет модернизации один из модулей, после чего - на суд Котов!). Видно, что при нагрузке 49Вт и дополнительной 10.8А по каналу +12В блок питания уверенно держит напряжение.

P.S. К сожалению, блока питания, который бы давал неправильное напряжение, под рукой не нашлось - все или живые, или совсем мертвые. Окончательное тестирование отдаеться на откуп уважаемым котам.

P.P.S.

Разработано и изготовлено устройство, которое:

1. При нормальной работе от 200-ваттного исправного блока питания способно включить 6 зеленых светодиодов, а чуть поднапрягшись - еще один синий.
2. Обогреть помещение.
3. Опровергнуть законы логики. При входном напряжении около 2В устройство показывает, что напряжение одновременно ниже и выше чем измеряемое. (фото с этапа проверки).
   
4. А еще оно позволяет быстро и наглядно проверить, соответствуют ли напряжения блока питания АТХ стандарту.

Литература:

"Тестилка блоков питания персонального компьютера (ТБПК)", https://radiokot.ru/circuit/analog/measure/35/
"Методика тестирования блоков питания стандарта ATX", https://www.overclockers.ru/lab/28446.shtml

После отправки статьи понял, что без Step-Up конвертера при запитке только от +12В схема будет работать в корне неправильно. Т.е. при подключении к БП и наличии только дежурки - не будет сформировано нужное опорное напряжение (оно будет занижено до уровня около 4.5В), следовательно будет показывать завышенное напряжение самой дежурки. После включения блока и появления +12В все станет ОК!

Для устранения этого нужно запитку сделать без Step-Up конвертера просто через диоды от +5, +5_sb, +12 (через 78L05). Вторым шагом (по моим прикидкам самым оптимальным вариантом будет сделать так) снизить опорное напряжение до 4В, тогда +3,3В можно будет не делить, +5В делить пополам (меряем 2.5В), а +12В делить на 4 (меряем 3В) и при этом пересчитать делители опорного напряжения. По идее, даже с учетом падения на диодах +5В должно хватить для формирования +4В опорного. Например сделать вот так:

Диоды VD3-VD5 - очень желательно Шоттки. Иначе могут быть проблемы с питанием U3 и получением опорного напряжения.

Короче:

1. Изменены номиналы R5, R6, R10, R11, R20, R21 R30, R31, R40, R41, R48, C1
2. Изменены позиционные обозначения резисторов R18, R19 на R50, R51
3. Добавлены R18, R19, R38, R39 (делители измеряемого напряжения)
4. Удалены VD2, R1, R2, R3, R4, R29, C2, C3, L1, U4, HL4
5. Перемещен стабилизатор на U6 с обвязкой.
6. R6 можно заменить подстроечником на 620-680 Ом и точно выставить опорное напряжение.

Возможно, схема стала даже проще первоначальной..

В железе не проверялось, т.к. у меня уже есть это устройство, отдаю на откуп Вам.

Файлы:
Расположение деталей
Чертеж платы
Моделирование блока сравнения
Расчет элементов схемы

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Преобразователь 12-220В для питания ЛДС из компьютерного БП.

Эволюция импульсных зарядных устройств для автомобильного аккумулятора на основе AT/ATX.

Как сделать зарядное устройство для 12В свинцово-кислотных аккумуляторов из компьютерного БП ATX.