USB-порт управляет нагрузками

Когда персональный компьютер находится в дежурном режиме, часто вместе с ним остаются подключенными к сети переменно­го тока 220 В различные нагрузки, например, монитор, усилитель мощности звуковой частоты, принтер, сканер, модем, внешние жёсткие диски. Это приводит не только к бесполезному расходу электроэнергии, но и сокращает срок службы компьютерной периферии. Чтобы избежать этого, можно изготовить несложное устройство, которое будет отключать компьютерную периферию от электросети на время, пока компьютер не работает.

Принципиальная схема устройства управ­ления нагрузками представлена на рис. 1. В отличие от аналогичного назначения конструкции [1], этот автомат может работать как с компьютерами, в которых в дежурном режиме напряжение +5 В на USB портах есть всегда, когда на блок питания компьютера поступает напряжение сети 220 В, так и в том случае, когда в дежурном режиме напряже­ние +5 В с USB портов компьютера отключа­ется. Не все компьютерные системные платы позволяют настроить USB порты так, чтобы на них напряжение +5 В в дежурном режиме не подавалось.

Это устройство работает по тому прин­ципу, что в дежурном режиме амплитуда пульсаций напряжения питания +5 В значи­тельно меньше, чем когда компьютер рабо­тает даже при отсутствии серьёзной нагруз­ки на центральный процессор и видеокарту. Устройство подключается к выходу USB порта компьютера. При этом сигнальные линии USB не используются. Напряжение питания +5 В поступает на низковольтные слаботочные узлы через развязывающий дроссель L1, Конденсатор С1 служит фильтром напряжения питания. Напряжение пульсаций пинии питания +5 В через резис­тор поступает на регулятор чувствитель­ности, выполненный на подстроечном резис­торе Далее через разделительный кон­денсатор СЗ напряжение пульсаций посту­пает на двухкаскадный усилитель низкой частоты, выполненный на биполярных тран­зисторах VT1, VТ2. Оба транзисторных каска­да включены по схеме с общим эмиттером с авто-смещением. Первый усилительный каскад питается напряжением +5 В через фильтр R4C4. Конденсатор С2 предотвра­щает поступление на вход УНЧ радиочастот.

В случае, когда компьютер находится в дежурном режиме, амплитуда напряжения на выводе коллектора VT2 не превышает 0,5 В, конденсатор С8 разряжен, полевой транзис­тор VT3 закрыт, оптосимистор U1 закрыт, мощный симистор VS1 закрыт, нагрузка обесточена. Как только будет включен компьютер, амплитуда пульсаций напряже­ния +5 В на выходе USB порта резко возрастёт до 20…50 мВ. Амплитуда напря­жения на выводе коллектора VT2 возрастёт до 3…4 В, конденсатор С8 зарядится до напряжения около 4 В, полевой транзистор VT3 откроется, откроется оптосимистор оптрона U1, вместе с ним в начале каждой полуволны сетевого напряжения 220 В будет открываться симистор VS1, на подключенные нагрузки поступит напряжение питания 220 В, В это время будут светить контрольные светрдиоды HL1 и HL2. Резисторы R10, R18 ограничивают рабочий ток через светодиоды. Диодный мост VD3 — VD6 выпрямляет напряжение для питания HL2. По два токоограничительных резистора R11, R13 и R15, R16 включены парами вместо одиноч­ных резисторов для того, чтобы уменьшить негативные последствия в случае пробоя изоляции оптрона U1. Применение крем­ниевого диода VD2 вместо желаемого германиевого необходимо для уменьшения обратного тока, чтобы конденсатор С8 не разряжался через этот диод.

После снижения амплитуды пульсаций напряжения питания +5 В, например, компьютер был переведён в спящий режим, конденсатор С8 начинает разряжаться через высокоомный резистор R9. Когда напряжение на обкладках того конденсатора уменьшится настолько, что транзистор \/ТЗ начнёт закрываться, откроется транзистор VT4 и через резистор R12 быстро разрядит С8. Нагрузка будет обесточена. Время выдержки зависит от параметров времязадающей цепи С8R9 и порогового напряжения открывания применённого полевого транзистора. При указанных на схеме составит около 8 минут. Такое время выбрано для того, чтобы не было случайных отключений подключенной нагрузки во время работы компьютера или при его перезагрузках. Для уменьшения времени выдержки целесообразно устано­вить конденсатор С8 меньшей ёмкости.

Сильноточная часть устройства выпол­нена из расчёта того, что в качестве нагрузки к выходу устройства могут быть подключены мощные нагрузки, например, лазерный принтер. Варистор защищает нагрузки от всплесков напряжения сети. Двухобмоточный дроссель L2 и дроссель L3 снижают уровень помех, поступающих на нагрузки из сети 220 В, а также, уменьшают максималь­ный импульсный ток в момент открывания симистора, который может иметь опасные дпя симистора значения из-за наличия помехоподавляющих конденсаторов на входе питания подключенных нагрузок, имеющих в своём составе импульсные бпоки питания. Резистор R19 предотвращает подсвечивание светодиода НL2 при отключенных нагрузках, Резистор К18 вместе с цепью на светодиоде НL2 также имитирует наличие нагрузки на выходе устройства, предотвращая тем са­мым, когда устройство находится в дежурном режиме, подпитывание подключенной к выхо­ду автомата слаботочной нагрузки, напри­мер, электролюминесцентной компактной осветительной лампы с электронным балластом.

Все детали конструкции кроме плавких предохранителей могут быть смонтированы на печатной плате размерами 140×60 мм, рис. 2.

Для более компактного исполнения устройства печатную плату можно разрезать надвое примерно посередине — отдельно слаботочные и силовые узлы, как это сде­лать видно по характеру рисунка дорожек. Усилительные каскады на транзисторах должны быть обязательно экранированы, для чего на монтажной плате из тонкой латуни или пищевой жести паяют шестистенную «коробочку-экран». Постоянные резисторы можно применить любого типа, например, С1-4, С1-14, С2-23, С2-33, МЛТ, РПМ. Подстроенный резистор СП5-16ВА, СП4-1, РП1-63М или импортный малогабаритный аналог сопротивлением 1,5…4,7 кОм. Вместо дискового варистора FNR-20К471 можно применить FNR20K431, МYG20-431, МYG20-471, LF14К471. Для повышения степени защиты нагрузок от аномальных напряжений можно подключить 2-4 одинаковых варис­тора параллельно. Неполярные конденсаторы малогабаритные плёночные или керами­ческие. Оксидные конденсаторы К50-35, К50- 68, К53-19, К53-1 или аналоги. Германиевый диод ГД507А можно заменить любым из 1Д507А, Д9, Д18 или диодом Шотки 1N5817 — 1N5819, МВРS140TR, SFPB-56. Кремниевые диоды КД521А можно заменить на любые из серий КД503, КД510, КД521, КД522, 1N914, 1N148, 1SS244. Светодиоды АЛ307ЛМ можно заменить любыми непре­рывного свечения с повышенной светоотда­чей, например, КИПД66Е2-К, КИПД35Л-К. Вместо транзисторов КТ3102Г можно применить любые из серий КТ3102, КТ342, КТ6111, КТ6113, КТ645, ВС547, SS9014, 2SС3199, 25С1845. Полевой транзистор КП505Г можно заменить любым из серий КП505, КП504, ВSS295. Симисторный оптрон S21МЕЗ можно заменить на S21МЕЗF или имеющим узел детектора нуля S21МЕ4, S21МЕ4F. Симистор MAC16N рассчитан на ток нагрузки до 15 А. Он должен быть установлен на дюралюми­ниевый теплоотвод размерами 58x30x4 мм. Теплоотвод изолируют от теплоотводящего фланца симистора. Для упрощения монтажа можно применить один симистор, выпол­ненный в изолированном корпусе, например, МАС320А8FР, МАС320А6FР, МАС320А10FР, МАС228-6FР, МАС228А6FР, МАС228-8FР, МАС228А8FР, МАС212А8FР, МАС212А10FР. Для установки симистора на теплоотвод применяют теплопроводную пасту КПТ-8. Дроссель L1 малогабаритный промышленного изготовления индуктивностью 1000…6800 мкГн с сопротивлением обмотки 1…4,7 Ом, дроссель со цветовой маркировкой индуктив­ностью 1000 мкГн будет иметь, начиная с торца, коричневую, чёрную и красную полосы. Другие дроссели выполнены на кольцах К32х20х9 из феррита HM3000 без немагнитного зазора. Дроссель L2 содержит 18 витков сложенного вдвое монтажного провода с сечением по меди 1,3 мм кв. Предпочтительнее применять провод во фторопластовой изоляции. Дроссель L3 содержит одну обмотку из 18 витков такого же провода. Дроссели установлены верти­кально. Держатели предохранителей типа ДП1-ЦМ или Д8П-7, установлены на корпусе устройства. Если предполагается подклю­чать к устройстве нагрузку, потребляющую ток более 5 А, предпочтительнее вместо 20 мм предохранителей, применять плавкие предохранители в стеклянном или керамическом корпусе длиной 30 мм, для которых подходит держатель ДВП-7.

Устройство подключают к компьютеру «без посредников» — напрямую к USB порту системной платы компьютера без применения активных внешних U5B разветвителей, которые могут содержать встроенные фильтры питания, что может сделать работу устройства нестабильной. Ток потребления от USB порта будет около 3 мА, когда устройство находится в ждущем режиме и около 30 мА, когда на нагрузку подаётся напряжение питания. Настройка конструкции сводится к установке чувствительности подстроенным резистором R2. Чувстви­тельность устанавливают максимально воз­можной, но так, чтобы когда компьютер выключен и находится в дежурном режиме, не было ложных срабатываний. Из-за частичной неисправности компьютерного блока питания возможно повышение уровня пульсаций напряжения «дежурных» +5 В когда компьютер выключен, что может привести к ложным включением питания нагрузок. Такую неисправность устраняют заменой проблемных оксидных конден­саторов в блоке питания персонального компьютера.

Литература:

1. Бутов АЛ. Управление питанием компьютерной периферии. — Радиоконструктор, 2011, №9, с. 10.
2. Бутов АЛ. Два устройства для зави­симого включения электроприборов. — Радиоконструктор, 2012, № 8, с. 21 — 21.

Автор: Бутов АЛ.