Блок питания мониторов (стр. 9 из 10)
9.2 Трансформаторы и дроссели
Представляют собой частные случаи катушек индуктивности с магнитным сердечником.
В реальной катушке провод, из которого она навивается, обладает последовательным сопротивлением, а между витками обмотки имеется распределенная емкость.
Две катушки индуктивности, связанные друг с другом через общий магнитный сердечник, образуют трансформатор.
При этом реальные трансформаторы (в отличие от идеальных) имеют между вторичными и первичными обмотками емкость.
Эквивалентная схема катушки индуктивности показана на рис.12,6. Межвитковая емкость представлена здесь в виде шунтирующего конденсатора с сосредоточенными параметрами, так что на некоторой частоте имеется параллельный резонанс.
Эта частота резонанса определяет верхнюю частоту, на которой можно использовать катушку индуктивности.
Другой важной характеристикой катушек индуктивности является их чувствительность к паразитным магнитным полям и способность генерировать эти поля.
Поэтому к силовым импульсным трансформаторам ИБП предъявляют жесткие требования по обеспечению электромагнитной совместимости, по индуктивности рассеяния обмоток при условии обеспечения хорошего потокосцепления между обмотками, а также по конструкции с высокой прочностью изоляции (как правило, пробивное напряжение не менее 2кВ). Эти требования прежде всего обусловлены прямоугольностью формы напряжения с большой частотой (около З0кГц), а также большой амплитудой импульсов в каждом полупериоде напряжения.
Импульсные трансформаторы предназначены для передачи кратковременных электрических импульсов достаточно большой мощности.
Возникающие при этом искажения плоской части импульса определяются конечной величиной индуктивности первичной обмотки L1, а искажения фронта - индуктивностью рассеяния Ls.
Эти искажения фронтов импульсов вызываются паразитными колебаниями, возникающими в контуре, образованном индуктивностью рассеяния Ls и собственной емкостью С0.
Поэтому при выполнении импульсного трансформатора принимаются специальные меры для уменьшения этих паразитных параметров.
Меры эти в основном сводятся к следующему.
Обмотки располагают таким образом, чтобы между их выводами было приложено в процессе работы возможно меньше импульсное напряжение. Рекомендуется обмотку с меньшим числом витков располагать внутри, а с большим числом витков - снаружи катушки.
Для получения малой величины индуктивности рассеяния одну из обмоток наматывают в два слоя, между которыми помещают вторую обмотку.
В некоторых импульсных трансформаторах первичная и вторичная обмотки наматываются одновременно двумя проводами, так что витки одной обмотки располагаются между витками другой.
В качестве межслоевой и межобмоточной изоляции обычно используются пленки неорганических диэлектриков.
Сами трансформаторы пропитывают компаундами или лаками.
В силовых импульсных трансформаторах ИВП персональных компьютеров находят широкое применение Ш-образные ферритовые магнитопроводы, наиболее технологичные для процесса намотки обмоток и характеризующиеся высоким коэффициентом их заполнения.
Исходя из вышесказанного, можно сделать неутешительный вывод о том, что при выходе из строя силового импульсного трансформатора его ремонт или изготовление нового - дело весьма сложное и требует специального оборудования, материалов, оснастки и высокой квалификации.
Кроме того импульсный трансформатор является оригинальной неунифицированной деталью, которая разрабатывается и применяется для данной конкретной схемы ИВП и, как правило, не подходит для других схем.
При нарушении хотя бы одного из вышеперечисленных параметров в результате ремонта импульсного трансформатора, он будет работать неудовлетворительно, что приводит к нарушению оптимального соотношения потерь мощности на элементах ИВП и скорому повторному выходу ИБП из строя.
К счастью, силовые импульсные трансформаторы необратимо выходят из строя довольно редко, что объясняется их высокой надежностью, которая заложена в технологии их изготовления, т.к импульсный трансформатор является одним из самых ответственных элементов схемы ИБП.
Рассмотрим теперь основные особенности построения трансформаторов тока, которые используются во многих схемах ИБП в качестве датчика схемы токовой защиты.
Характерной особенностью трансформатора тока в отличие от трансформатора напряжения является то, что вторичная обмотка его должна быть обязательно замкнута на нагрузку, сопротивление которой не превышает определенного значения.
Разомкнутое состояние вторичной обмотки является аварийным режимом. Поясним это подробнее.
Т.к. ток первичной обмотки не изменяется при разрыве цепи вторичной обмотки, в отличие от трансформатора напряжения, то переменный магнитный поток в сердечнике имеет очень большую амплитуду из-за того, что отсутствует встречный компенсирующий магнитный поток, порождаемый током вторичной обмотки.
Скорость изменения магнитного потока при смене полярности тока, протекающего через первичную обмотку, также очень велика.
Поэтому будет очень велика ЭДС, наводимая этим потоком на разомкнутой вторичной обмотке. Величина этой ЭДС такова, что может привести к пробою изоляции.
Для безопасности работы в случае повреждения изоляции между первичной и вторичной обмотками, вторичная обмотка должна быть обязательно заземлена.
Кроме того, большая амплитуда переменного магнитного потока в сердечнике приводит к значительному возрастанию потерь на его перемагничивание. Поэтому трансформатор начинает сильно перегреваться.
В схеме ИБП PS-6220C, например, функцию нагрузки вторичной обмотки трансформатора тока Т4 выполняет резистор R42 (470 Ом) Трансформатор тока в рассматриваемом классе ИБП в основном имеет две конструктивные реализации. В одном варианте он представляет собой трансформатор на Ш-образном ферритовом сердечнике, на среднем керне которого расположен каркас с намотанной на него вторичной обмоткой. Первичная обмотка расположена поверх вторичной и представляет из себя один виток монтажного провода в пластмассовой изоляции (рис.14, а, б).
Рис.14. Встречающиеся на практике конструкции трансформатора тока на Ш-образном (а) и на кольцевом (б, в) сердечнике.
В другом варианте вторичная обмотка наматывается на кольцевой ферритовый сердечник, а первичной обмоткой является вывод конденсатора, который включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора (рис.14, в).
Однако встречаются и другие варианты конструктивного исполнения трансформатора тока.
Дроссели выходных фильтров (кроме дросселя групповой стабилизации) представляют собой катушки индуктивности с однорядной намоткой из медного провода большого сечения на незамкнутом ферритовом сердечнике цилиндрической формы (ферритовые стержни).
Большое сечение провода объясняется значительной величиной выходных токов ИБП, а незамкнутая форма сердечника - работой дросселя с большим током подмагничивания.
Замкнутая форма сердечника в этом случае привела бы к вхождению его в магнитное насыщение и потере дросселем фильтрующих свойств.
Неисправности индуктивных элементов можно подразделить на:
обрыв в обмотке;
межвитковое замыкание;
межобмоточное замыкание (только для трансформаторов), замыкание (пробой) обмотки на сердечник;
потеря сердечником магнитных свойств (из-за перегрева, механических повреждений и т.д.).
Выход из строя выходных дросселей фильтров в ИБП явление крайне редкое из-за их высокой надежности.
Выход из строя трансформаторов часто можно определить при внешнем осмотре по потемнению отдельных участков наружной изоляции, появлению пузырьков воздуха под изоляцией, вспениванию и выделению из под изоляции пропиточного компаунда.
Целостность обмоток на "обрыв", а также наличие межобмоточного замыкания и замыкания какой-либо из обмоток на сердечник легко проверяются с помощью омической "прозвонки".
Остальные из перечисленных выше неисправностей поддаются обнаружению крайне сложно, так как омическое сопротивление обмоток трансформатора очень мало (единицы и даже доли Ом!).
Если есть подозрение на межвитковое замыкание или на потерю сердечником магнитных свойств, то трансформатор нуждается в замене на аналогичный.
9.3 Диоды
Диоды, применяемые в рассматриваемом классе ИБП, можно условно подразделить на:
силовые выпрямительные низкочастотные (диоды входного сетевого моста и схемы пуска);
силовые выпрямительные высокочастотные вторичной стороны;
высоковольтные высокочастотные (рекуперационные диоды транзисторного инвертора);
низковольтные высокочастотные (применяемые в согласующем каскаде и сигнальных цепях защиты, а также схеме образования сигнала PG).
Выпрямительные низкочастотные диоды для входного выпрямительного моста выбираются при замене по следующим основным параметрам:
постоянному обратному напряжению Uo6p. (не менее 400В);
среднему прямому току Iпр. (не менее 2-4А в зависимости от мощности блока);
импульсному прямому току Iи. пр. (не менее 70-100А).
Для силовых выпрямительных высокочастотных диодов, кроме того, важным параметром служит время восстановления обратного сопротивления диода teoc, которое определяет длительность режима "сквозных токов" в схеме выпрямления. Это увеличивает коммутационные потери не только в диодах выпрямителя, но и в транзисторах инвертора. При этом элементы источника оказываются в режиме короткого замыкания, что создает условия для коммутационных выбросов на фронтах переключения, ведущих к отказу источника. Время teoc. должно быть в три-четыре раза меньше времени выключения транзистора и соответствовать teoc. = 0,3 - 0,5мкс. Вторым важным параметром этих диодов является прямое падение напряжений Unp., от значения которого зависит КПД выпрямителя. Это напряжение должно быть по возможности меньшим.