Схемы блоков питания видеомониторов

Общие сведения

Наибольшее распространение в схемотехнике источников питания мониторов получили импульсные источники питания, содержащие стабилизатор напряжения, регулирующий элемент которого работает в ключевом режиме. Использование этого режима позволяет значительно улучшить ряд показателей формирователей питающих напряжений.

Достоинства

Импульсный источник питания по сравнению с линейным обладает:

• высоким коэффициентом полезного действия (0,7...0,8);
• меньшей рассеиваемой мощностью выходного транзистора;
• облегченным тепловым режимом всего монитора в целом;
• малыми размерами импульсного трансформатора и фильтра;
• возможностью групповой стабилизации одновременно нескольких ИП;
• способностью работы в широких пределах изменения сетевого напряжения
  (от 100 до 260 В).

Недостатки

Основными недостатками импульсных источников питания являются:

• высокий уровень радиопомех при функционировании;
• отсутствие гальванической развязки от сети переменного тока.

Эти и другие недостатки заставляют разработчиков радиоэлектронной аппаратуры принимать специальные меры по обеспечению целого ряда требований (по электромагнитному излучению, энергосбережению, электрической и пожарной безопасности и др.) по безопасной эксплуатации и ремонту мониторов.

Стандарты и организации

Изготовление ИП для мониторов регламентируется стандартами и оценивается соответствующими организациями, присваивающих сертификаты по направлениям. Стандарты и организации, требованиями которых руководствуются при конструировании источников питания мониторов, приведены ниже.

ENERGY STAR EPA — простой стандарт американского ведомства по охране окружающей среды, который предписывает потребление мощности неработающим монитором максимум 30 Вт.

VESA (Video Electronics Standards Association) — незаинтересованная организация, содействующая улучшению графических стандартов с выгодой для конечного пользователя.

DPMS (Display Power Management Signaling) — стандарт, предложенный VESA для продления срока службы монитора путем снижения потребляемой мощности монитора в то время, когда он не используется. Видеографический адаптер, поддерживающий DPMS, использует строчный и кадровый синхроимпульсы для управления режимами работы монитора.

В соответствии с требованиями этих стандартов в мониторе реализованы 4 режима работы: NORMAL (основной или рабочий), STANDBY (готовность), SUSPEND (ожидание), OFF (выключено).

В зависимости от настройки временных установок ПК и режима его работы монитор переводится в один из указанных режимов. Они различаются потребляемой мощностью от сети и временем возврата монитора в рабочее состояние:

 

 

Режим	Мощность, Вт	Время восстановл., с	Потребители питания
Рабочий (NORMAL)	< 100	0	Все включено и полностью работает
Готовность (STANDBY)	< 100	0	ЭЛТ включена, источник питания включен (режим сохранения экрана)
Ожидание (SUSPEND)	< 7,0	2	ЭЛТ выключена, источник питания выключен
Выключен (POWER OFF)	< 2,5	20	Включены вспомогатель­ные цепи монитора

 

NUTEK (The National Board for Industrial and Technical Development in Sweden) — шведский совет по промышленному и техническому развитию требует точно определенной трехступенчатой процедуры энергосбережения. В соответствии с требованиями NUTEK потребление энергии:

• неработающим монитором не должно превышать 8 Вт;
• в режиме STANDBY - 30 Вт;
• выключено (POWER OFF) — 15 Вт.

MPR-II — простейшая из норм шведского Совета по измерительной технике и испытаниям, ограничивает максимальный уровень электрических и магнитных полей.

TUV — организация в Германии TUV, по договору с изготовителем проводит экспертизу технической, электрической и пожарной безопасности, а также испытания на соответствие нормам MPR-II и некоторым ISO-стандартам.

ТСО (Tjanstemannes Central Organization) — шведский профсоюз служащих. Его целью является ежегодная разработка и внедрение обновленных стандартов безопасности на рабочих местах, связанных с электронной обработкой данных. Хотя ТСО и не является международным стандартом, однако его придерживаются почти все производители электронного оборудования. Стандарт распространяется на четыре области: эргономику;   потребление энергии;   излучение;   экологию.

 

Требования ТСО

В эргономике устанавливают требования к яркости и контрастности изображения, ограничению мерцания, минимизации отражения света.

Эргономические требования........................... ТСО-99............ ТСО-95

частота кадров, не менее........................................ 85 Гц.............. 75 Гц

распределение яркости............................................ 1,5:1 ................. 1,7:1

свечение экрана по всему изображению............................. 100 кд/кв.м.

Требования энергопотребления...................... ТСО-99........... ТСО-95

в режиме ожидания (STANDBAY)...................... 15 Вт............... 30 Вт

в режиме выключения (OFF).................................. 3 Вт................ 5 Вт

время возвращения из режима STANDBAY в рабочий режим..... 3 с.

Электромагнитное излучение (на расстоянии 30 см)

В полосе частот 5 Гц ... 2 кГц:

напряженность переменного электрического поля..... не более 10 В/м;

индукция переменного магнитного поля..................... не более 200 нТл.

В полосе частот 2...400 кГц:

напряженность.................................................................. не более 1 В/м;

индукция.......................................................................... не более 25 нТл.

Принцип действия импульсного источника питания

На вход импульсного преобразователя поступают управляющие сигналы прямоугольной формы с частотой задающего генератора, длительность которых зависит от величины нагрузки и изменения входного напряжения сети. Момент появления (передний фронт) управляющего сигнала определяется началом импульса задающего генератора.

Длительность управляющего импульса определяется моментом достижения максимального сигнала датчиком тока (ДТ) порогового уровня, установленным выходом усилителя сигнала рассогласования. При отсутствии отклонения параметров выходного и входного напряжения от номинальных значений длительность управляющих сигналов соответствует определенной длительности t.

На рисунке показано влияние отклонения напряжения в нагрузке на длительность управляющего импульса и фиксированном значении сигнала датчика тока. При отклонении выходного напряжения от номинального значения на величину DU цепь обратной связи изменяет длительность управляющего сигнала на величину Dt. Напряжение U_oc на выходе усилителя обратной связи определяется сравнением выходного напряжения с датчика обратной связи U_BbIX и опорного напряжения U_o:

U_oc = U_o - U_BbIX.

При уменьшении выходного напряжения уменьшается U_BbIX, что приводит к увеличению U_o, а соответственно, к увеличению длительности управляющего импульса t (см. рис.). Следовательно, выходное напряжение увеличивается, т.к.

U_BbIX = nU_n τ/Т, где n — коэффициент трансформации импульсного трансформатора.

Рассмотрим работу цепи управления по U_n — сигналу датчика тока при неожиданном увеличении тока стока I_С. При этом в импульсном трансформаторе ИТ происходит накопление дополнительной энергии, которая привела бы к пропорциональному увеличению выходного напряжения. Однако увеличение падения напряжения на датчике тока ДТ приводит к тому, что достижение порогового уровня происходит по времени раньше момента t_y, соответствующего заднему фронту управляющего сигнала, что в свою очередь приводит к уменьшению его длительности t и, соответственно, компенсирует возможное увеличение выходного напряжения. Управление по току носит опережающий характер.

 

Одной из важных задач сетевых БП является ограничение тока зарядки входного конденсатора НЧ фильтра в связи с тем, что режим запуска преобразователя близок к режиму короткого замыкания. При этом зарядный ток конденсатора при подключении его непосредственно к сети может достигать несколько десятков-сотен ампер. Существует две опасности: выход из строя диодов низкочастотного выпрямителя и износ электрических фольговых конденсаторов входного низкочастотного фильтра при протекании больших токов через обкладки.

Для устранения нежелательных эффектов заряда входного конденсатора низкочастотного фильтра применяются терморезисторы (с отрицательным ТКС), включаемые последовательно в цепь зарядки конденсатора.

Принцип ограничения тока основан на нелинейных характеристиках этих элементов. Терморезистор имеет значительное сопротивление в «холодном» состоянии, но после прохождения пика зарядного тока резистор разогревается, и его сопротивление становится в 20...50 раз меньше. В номинальном режиме работы оно останется низким. Преимущества этой схемы — простота и надежность.

Структура ИП мониторов

Структурная схема типового импульсного источника питания монитора и временные диаграммы его работы представлены на рисунке ниже.

Состав источника питания

Конструктивно источник питания включает два самостоятельных источника:

• основной — функционирует и обеспечивает работу монитора в полностью включенном состоянии;
• вспомогательный (маломощный) — переводит монитор в так называемый «режим энергосбережения» (POWER OFF) или малого потребления электроэнергии.   Включение  указанного  режима  организовывается  сигналами микропроцессора управления режимами.

Коррекция коэффициента мощности

В источнике питания монитора может быть использован корректор мощности. Ведь в некоторых случаях применение пассивной фильтрации для уменьшения уровня паразитных гармонических составляющих в питающей сети оказывается недостаточным. Пассивный способ борьбы с индустриальными помехами характеризуется:

• большими габаритами;
• узким диапазоном защиты по частоте, входному напряжению и нагрузке.

Достаточно эффективным способом решения этой задачи является применение активных корректоров коэффициента мощности.

Коэффициент мощности — величина, равная отношению активной мощности Р электрической цепи переменного тока к полной мощности S этой цепи:

cosφ = P/S.

Угол φ является углом сдвига тока и напряжения электрической сети, его источником является реактивная мощность, потребляемая по сети переменного тока и нагружающая питающую сеть, что в свою очередь приводит к дополнительному нагреву сетевых проводов.

Работа выпрямителя на емкостную нагрузку (фильтр, преобразователь) приводит к отставанию тока от напряжения (см. рис.), искажению формы электрического тока (отличию его от синусоидальной), что естественно сопровождается порождением нежелательных паразитных гармоник. Они распространяются по питающим проводам. Величина коэффициента мощности в этой схеме находится в пределах 0,5...0,7. Очевидно, что, обеспечив многократный подзаряд фильтрового конденсатора в течение полуволны выпрямленного напряжения, можно уменьшить величину угла φ (см. рис.), I_зар, I_разр на рисунке — это токи заряда и разряда конденсатора фильтра С, соответственно.

Реализация этого подхода осуществляется следующей упрощенной схемой (см. рис.). Во время открытого состояния ключа Q (MOSFET) ток через дроссель линейно нарастает, диод D закрыт, а конденсатор С2 в этот момент разряжается в цепь нагрузки R_H, в дросселе L происходит накопление энергии.

Затем транзистор запирается, напряжение на дросселе достаточно для открывания диода D и заряда конденсатора С2. Конденсатор С1, как правило, малой емкости. Он служит для фильтрации высокочастотных помех, которые возникают при работе ключа на частоте 50... 100 кГц.

Управление ключом осуществляется специальным устройством управления УУ, которое синхронизирует эту работу.

Сравнительная характеристика микросхем по типовым параметрам

 

ис	Частота, кГц	Напряжение включения генератора, В	Напряжение выключения генератора, В	Потребляемый ток ИС, в режиме ожидания, мкА	Потребляемый ток ИС в рабочем режиме, мА
UC3842A	52	16,0	10,0	500	12
UC3842B	250	16,0	10,0	300	12
КА3882	52	16	10	200	11
UC3843A	52	8,4	7,6	500	12
UC3843B	250	8,4	7,6	300	12
КА3883	52	8,4	7,6	200	11
M62281FP	180	12,5	8,3	180	13
МС34067	525	16	9,0	500	27
STR6707		8,0	4,9	200	29
КА2Н0880	100	15	10
TDA4605	180	12	6,9	500	12

Ключевые элементы. В отличие от преобразователей системных модулей в ИП мониторов в качестве ключевых элементов преобразователей нашли широкое применение мощные полевые транзисторы MOSFET.

Современные транзисторы данного класса обладают неплохими электрическими и частотными характеристиками. Ввиду отсутствия неосновных носителей частота переключения их гораздо выше биполярных. Максимальное значение напряжения сток-исток транзистора определяется суммой двойного выпрямленного напряжения сети и напряжения перехода. Значение напряжения перехода зависит от индуктивности рассеяния трансформатора преобразователя и емкости гасящего конденсатора в цепи стока. Как правило, минимально необходимое напряжение сток-исток транзистора, работающего в преобразователе, питаемого от сети 220/240 В, составляет 800 В.

В ИМС серии STR мощный ключевой биполярный транзистор размещен в корпусе микросхемы. Для источников с транзисторами этого класса индуктивность рассеяния трансформатора значительна, и напряжение на коллекторе транзистора может превышать 1000 В. Поэтому использование транзисторов с более высоким значением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер считается предпочтительным. Применение универсальных переключателей входного напряжения этой же серии (типа STR81145, STR83145 и др.) позволяет расширить допустимый диапазон входного напряжения.

Выпрямители. Наличием высокой частоты работы преобразователя объясняется использование специальных элементов, допускающих работу при повышенных частотах и температурах. Вследствие этого, в качестве выпрямительных используются диоды Шоттки с малым падением напряжения в прямом направлении (0,2...0,3 В для кремниевых диодов) и конденсаторы с малыми потерями, допускающими работу при высоких температурах.

Элементы защиты. Отличительной особенностью источников питания является широкое применение элементов защиты, специально предназначенных для подавления перенапряжения, возникающего в переходном процессе. Этот эффект достигается включением в управляющих электродах: коммутационных цепей (ключевых транзисторов, тиристоров) и диодов TRANSIL, TVS.

В отличие от варисторов, диоды TRANSIL являются более быстродействующими, их время срабатывания составляет несколько пикосекунд. Функционирование диодов этого типа всегда приводит к ограничению сигнала уровнем напряжения фиксации, вызванного волной перенапряжения.

Методика ремонта типового источника питания монитора

Внимание! Импульсный источник питания не работает без нагрузки, подсоединять его к сети нужно через развязывающий трансформатор. Следует помнить, что неисправность источника может быть связана со схемой управления режимами монитора.

Первый этап ремонта — внешний осмотр ремонтируемого устройства в выключенном состоянии, при котором необходимо обращать внимание на исправность предохранителя и любое изменение внешнего вида элементов схемы (цвета корпуса). При дефектации следует обратить внимание на исправность всех элементов, которые подключены к этой цепи. Ремонт следует проводить технически исправными приборами, с использованием низковольтных паяльников, питающихся через разделительный трансформатор.

Второй этап ремонта — подбор аналога в случае отсутствия идентичного прибора и его замена. Наиболее сложен этот процесс для МДП транзисторов. Следует иметь в виду, что неправильный подбор этих транзисторов по времени переключения приводит к снижению надежности работы устройства еще и по динамическим перегрузкам. Отсутствие точного аналога приводит к необходимости внесения изменений во входной и корректирующих цепях.

При замене транзистора, кроме привычных параметров MOSFET: ♦ максимальное напряжение на стоке U_{си макс};

• максимальный ток стока 1_макс;
• максимальная рассеиваемая мощность Р_макс;
• крутизна S.

Следует помнить, что скорость переключения транзистора зависит от постоянной времени цепи затвора. Увеличение этой постоянной приводит к увеличению потерь в транзисторе и, как следствие, снижению надежности. При несоответствии значений входной и проходной емкостей у подобранного аналога постоянную времени входной цепи можно в значительной мере скомпенсировать подбором ограничительного резистора R3. При замене транзистора обязательной проверке рекомендуется подвергать соответствие напряжения на стоке значению, указанному на принципиальной схеме. При большем значении напряжения следует изменить параметры цепи демпфирования (цепь Rl, C1 на рис.), например, увеличением емкости и соответствующим изменении резистора так, чтобы постоянная времени этой цепи осталась постоянной.

Принципиальная схема монитора  SAMSUNG SyncMaster

15GE (СМА 5377), 15GLE (СМА 5377Ц, 4NE (СМА 537Р)

Назначение и состав цепей

 

Функциональное назначение цепей	Состав цепей
Заградительный фильтр	L601, L602, С603...С605, R601
Сетевой выпрямитель с фильтром	D601...D604, ТН601, С606
Цепь запуска преобразователя	R611, С613, R602, R603, R607, R608, IC601
Цепь включения режима POWER OFF	0607
Цепь датчика тока	R609, R610, С609
Источник подпитки	D609, С615, Q602, С616, R616, D610
Цепь регулирования	IC602, IC603, R637, R634, R635, R699, VR601
Цепь демпфирования	D605, R604, С607, С608, D606, R605, R606
Цепь синхронизации	Т602, R647, С614, D608

Вырабатывает: +85 В, +53 В, +13,5 В, +12 В,-12 В, +6,3 В, +5 В.

Перегорает сетевой предохранитель F601 (3,15 А).

В этом случае необходимо проверить исправность элементов заградительного фильтра и сетевого выпрямителя (L601, L602, С603...С605, D601...D604, ТН601, С606), терморезистора PR601, реле RL601, проверить исправность транзистора Q602.

Выходные напряжения источника питания отсутствуют.

Проверить наличие напряжения +280 В на положительном выводе конденсатора С606. При его отсутствии проверить исправность элементов сетевого выпрямителя и резистора ТН601. Проверить напряжение питания микросхемы IC601 между выводами 7 и 5. При его отсутствии проверить элементы R602, R603, стабилизатор Q602, D610, R616, D609, С615, С616, элементы времязадающей цепи R611, С613. При наличии напряжения питания +12 В (выходные напряжения отсутствуют) проверить исправность транзистора выходного каскада строчной развертки, элементы цепи затвора силового ключа R607, R608, D607, исправность силового ключа Q601, R609, элементы цепей демпфирования С607, R604, D605, С608, D606, R605, R606, элементы цепи регулирования IC602, D627, D626, IC603, Q607, D628, исправность цепи синхронизации R647, Т602, С614, R617, D608. При отсутствии выходного напряжения в одном или нескольких выходных каналах следует искать неисправность в цепях тех вторичных выпрямителях, в которых это напряжение отсутствует.

Выходные напряжения питания выше или ниже нормы и не регулируются переменным резистором VR601.

Проверить исправность цепей обратных связей, элементов ГС602, 1С603, Q607, R637, С644, D626, D627, в случае их исправности заменить микросхему IC601.