Контроль напряжения пульсаций USB порта

Из-за недостаточно хорошего качества блока питания персонального компьютера возможны как нестабильная работа подключенных к нему периферийных устройств. Чтобы упростить и ускорить предварительную диагностику компьютерного оборудования, можно изготовить несложное устройство.

Конструкция, принципиальная схема которой показана на рис. 1, представляет собой измеритель амплитуды пульсаций напряжения питания +5 В, которое поступает на USB порт персонального компьютера или USB порт зарядно-питающего устройства, предназначенного для питания мобильной аппаратуры. Пульсации напряжения +5 В, подающегося на USB розетки, в персональном компьютере имеют спектр от инфранизких частот до сотен кГц, амплитуда этих пульсаций в исправном оборудовании не превышает 0,1 В. При подключении устройства к USB порту, с этого порта на конструкцию поступает напряжение питания +5 В. Конденсатор С10 сглаживает пульсации напряжения питания. Чтобы этот конденсатор не шунтировал переменную составляющую напряжения питания, берущегося с USB порта, установлен дроссель L1. напряжение пульсаций с USB порта поступает на базу транзистора VT1 через делитель R4R5 и разделительный конденсатор С1. Построечный резистор R5 – это регулятор чувствительности. На транзисторах VT1, VT2 выполнен двухкаскадный усилитель напряжения переменного тока с большим коэффициентом усиления. Каскад на транзисторе VT1 получает напряжение питания через фильтр R8C3, а каскад на VT2 питается через фильтр R12C6. Конденсатор С5 препятствует поступлению на базу  VT2 радиочастот. Усиленное напряжение пульсаций с коллектора VT2 через раздельный конденсатор С7 поступает на детектор-выпрямитель на диодах VD1, VD2. Конденсатор С8 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Нагрузкой детектора служит резистор R14.Постоянное напряжение, пропорциональное уровню пульсаций напряжения питания на разъеме USB, с выхода диодного выпрямителя поступает на счетверенный компаратор DA1 типа LM339N. Компараторы этой микросхемы имеют выходы с открытым коллектором. Их нагрузкой служат резисторы R23-R26. Когда амплитуда пульсаций напряжения питания на входе устройства мала, напряжение на обкладках конденсатора С8 меньше 0,2…0,3 В, и, соответственно, напряжение на выводе 7 компаратора DA1.1 будет меньше, чем напряжение на выводе 6 DA1.1, на выходе DA1.1 (вывод 1) будет около нуля, светодиод HL1 не светится. Также будут погашены светодиоды HL2-HL4. При росте амплитуды пульсаций напряжения питания на входе устройства, будет расти и напряжение на конденсаторе С8. Когда напряжение на входе 7 DA1.1 станет больше, чем на выводе 6, компаратор DA1.1 переключится, выходной транзистор компаратора закроется, через светодиод HL1 станет протекать ток, ограниченный резистором R23. При дальнейшем росте напряжения на С8, будут последовательно переключаться компараторы DA1.2-DA1.4 и, вместе с этим, последовательно зажигаться светодиоды HL2-HL4. Чем большее количество светодиодов светится, тем больше амплитуда пульсаций напряжения на входе устройства, тем хуже качество питания компьютерных узлов по линии +5В.

Конструкция также содержит кнопку с фиксаций SA1 и резисторы R1, R2. Эти элементы предназначены для эмуляции наличия относительно мощной нагрузки, что может быть удобным и полезным при проверке различных зарядных устройств для питания мобильной аппаратуры. К этой конструкции к гнездам XS1, XS2 для более детального исследования можно подключить осциллограф и вольтметр. Резистор R3 защитный. Светодиод HL5 светится при наличии напряжения питания. При отсутствии свечения HL1- HL4 и разомкнутых контактах SA1 устройство потребляет ток около 12 мА при напряжении питания 5 В.

Большинство деталей устройства установлены на монтажной плате размерами 77х30 мм (фото 1). Монтаж двусторонний навесной с помощью тонких многожильных монтажных проводов в ПВХ изоляции, можно использовать провод МГТФ-0,03. Резисторы МЛТ, С1-4, С1-14 и SMDдля поверхностного монтажа. Резисторы R1, R2 установлены внутри корпуса устройства на его верхней крышке, выводы вплавлены в пластмассу и приклеены клеем «Квинтол». Неполярные конденсаторы керамические К10-17, К10-50, КМ-5 или аналоги и безвыводные для поверхностного монтажа. Остальные конденсаторы К50-35, К50-68, К53-19 или аналоги, желательно применять оксидные конденсаторы в низкопрофильном корпусе, а конденсаторы С1 и С7 можно заменить керамическими SMD. Конденсатор С9 припаян непосредственно к выводам питания DA1. Диоды КД522Б можно заменить любыми из КД510, КД512, КД521, КД522, 1N4148, 1N914, 1SS176. Светодиоды RL36-YG414S зеленого цвета свечения и RL36-SR114S красного цвета свечения можно заменить любыми другими аналогичными с повышенной светоотдачей, например серий КИПД66, RL32, RL34, L-934S. Вместо транзисторов КТ3102В можно установить любые из серий КТ3102, КТ6113, SS9014, BC547, 2SC1222, 2SC900. Перечисленные транзисторы имеют отличия в цоколевке выводов. Вместо интегрального стабилизатора микросхемы LM339N подойдут LM139F, LM139N, LM239AN, LM2901N, LM339AN, MC3302N. Кнопка SA1 импортная миниатюрная от автомагнитолы с фиксацией положения, приклеена к корпусу термоклеем «Квинтол». На кнопке установлен дополнительный пластмассовый толкатель с ограничителем от джойстика для игровой приставки. Дроссель L1 готовый малогабаритный промышленного изготовления, намотанный на H-образном ферритовом сердечнике. Подойдет аналогичный дроссель индуктивностью от 2200 мкГн и сопротивлением обмотки 6…30 Ом. Гнезда XS1, XS2 винтовые с отверстием 4 мм. К USB-розетке устройство подключается с помощью соединительного шнура длиной до 60 см с USB вилкой в конце. Устройство собрано в корпусе размерами 120х35х18 мм (фото 2). Безошибочно изготовленное устройство начинает работать сразу. Для его настройки временно отключают дроссель L1, контакты SA1 должны быть разомкнуты. На выводы конденсатора С 10, соблюдая полярность, подают напряжение питания 5В, на гнездо ХР1 от функционального генератора подают напряжение треугольной формы частотой 10 кГц и амплитудой 30…40 мВ. Плавно перемещая подвижный контакт подстроечного резистора R5 из нижнего по схеме положения в верхнее, добиваются зажигания светодиода HL1. При этом HL4 будет зажигаться при амплитуде входного сигнала около 350 мВ. При отсутствии таких приборов, устройство подключают к заведомо исправному персональному компьютеру, находящемуся во включенном состоянии в состоянии простоя – никакие приложения и пользовательские фоновые задачи не запущены. Вращая подвижный контакт R5, добиваются такого состояния HL1, при котором он будет хаотично мерцать или светится не в полную яркость. Если есть возможность подключить к гнездам XS1, XS2 осциллограф, убеждаются, что амплитуда ВЧ пульсаций не более 30…50 мВ.

При эксплуатации устройства качество напряжения питания +5В можно считать удовлетворительным, если будут светится не более двух красных светодиодов. Если будет светится большое количество красных светодиодов, то этот факт свидетельствует, как минимум, о недостаточном качестве фильтрации напряжения +5В. Если будет светиться хотя бы один красный светодиод, когда персональный компьютер выключен, но находится в дежурном режиме, то это означает, что емкость конденсатора фильтра выпрямленного напряжения +5VSB, находящегося в блоке питания, недостаточна или «подсела». Если при максимальной загрузке видеокарты и центрального процессора будут светится три или четыре красных светодиода, то это может означать, что или мощности блока питания недостаточно, или малы емкости конденсаторов, установленных в блоке питания и системной плате в цепях +5V и +5VSB.

Периодическое применение этого устройства позволит не только упростить и ускорить диагностику ПК, но и заблаговременно обнаружить надвигающиеся проблемы, которые могут привести к серьезным поломкам дорогостоящего оборудования и потере данных.

Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.
Источник: Радиоаматор №5, 2014