Блоки питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет экономики, статистики и информатики (МЭСИ)

Бурятский филиал МЭСИ

Специальность 230105

Реферат по ТСИ

Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем

на тему: Блоки питания

Выполнила: Ерофеева Ирина

Проверила: Дареева С.Н.

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Сигнальные функции блока питания

1.2 Расчет потребляемой мощности

1.3 Перегрузка блока питания

2. Выпрямитель напряжения сети

3. Двухтактный преобразователь полумостового типа

4. Каскад управления

5. ШИМ - контроллер

6. Цепи стабилизации и защиты

7. Формирователь сигнала Power - Good

8. Выпрямители импульсного напряжения

Список литературы

Введение

Одним из основных узлов ЭВМ является блок питания.

Главное назначение блоков питания - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и +12 В, а в некоторых системах и в +3,3 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) - +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

1. Теоретическая часть

Блок питания - это металлическая коробка, которая обычно располагается в верхней задней части системного блока. Переменное сетевое напряжение подводится к блоку питания с помощью кабеля, подключаемого к разъёму на его задней стенки. Блок питания вырабатывает несколько постоянных напряжений, необходимых для питания системной платы и накопителей. Важность блока питания не вызывает сомнений, однако степень влияния его параметров на стабильность и надёжность работы системы и на возможности её расширения часто недооценивают.

Даже в процессе нормальной повседневной работы на блок питания ложатся большие нагрузки. Преобразование переменного тока в постоянный сопровождается выделением значительного количества тепла, поэтому практически все блоки снабжены охлаждающими вентиляторами. Высоковольтные выбросы напряжения и другие аномальные явления, возникающие в электрических сетях, негативно сказываются на работе блока питания и могут вообще вывести его из строя. Срок службы блока питания во многом зависит от его конструкции и качества его электронных компонентов. Хороший блок питания практически полностью компенсирует отклонения сетевого напряжения от нормы и обеспечивает стабильные уровни напряжения, подаваемого на различные устройства компьютера. Кроме того, он в состоянии выдержать значительные перегрузки, как по входу, так и по выходу. Что касается блоков питания, выпущенных малоизвестными фирмами, то они вполне могут выйти из строя всего через несколько месяцев работы. При замене или модернизации блока питания следует выбирать надёжную модель солидной фирмы.

От мощности блока питания зависят возможности наращивания системы. Каждое установленное в компьютере устройство и подсистема потребляет вполне определенную мощность, и блок питания должен быть в состоянии удовлетворить их суммарную потребность в электрической энергии. Блоки пониженной мощности, как правило, непригодны для питания компьютеров с большим количеством плат расширения и накопителей. Недостаток мощности приводит к непредсказуемому поведению компьютера: зависаниям, случайным ошибкам в памяти или проблемам при обращениях к дискам. Заменять блоки питания следует на устройства, как минимум, той же мощности. При их модернизации следует выбирать блоки, которые, по крайней мере, на 50 Вт мощнее прежних.

Рисунок 1 Внутреннее изображение блока питания системы ATX: A - мостовой выпрямитель; B - конденсаторы для сглаживания помех на входе между B и C - радиатор транзисторов высокого напряжения и малого тока; C - трансформатор между C и D - радиатор выпрямителей низкого напряжения и большого тока; D - дроссель для сглаживания помех на выходе; E - конденсаторы для сглаживания помех на выходе

Главное назначение блоков питания - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и +12 В, а в некоторых системах и в +3,3 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) -- +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

1.1 Сигнальные функции блока питания

Напряжение +12 В предназначено в основном для питания двигателей дисковых накопителей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Напряжение 12 В подается также на вентиляторы, которые, как правило, работают постоянно. Обычно двигатель вентилятора потребляет от 100 до 250 мА, но в новых компьютерах это значение ниже 100 мА. В большинстве компьютеров вентиляторы работают от источника +12 В, но в портативных моделях для них используется напряжение +5 В (или даже 3,3 В).

Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напряжение, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величина этого напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. Иными словами, блок питания не позволит компьютеру работать при "нештатном" уровне напряжения питания. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power_Good (питание в норме). Если такой сигнал не поступил, компьютер работать не будет. Напряжение сети может оказаться слишком высоким (или низким) для нормальной работы блока питания, и он может перегреться. В любом случае сигнал Power_Good исчезнет, что приведет либо к перезапуску, либо к полному отключению системы. Если ваш компьютер не подает признаков жизни при включении, но вентиляторы и двигатели накопителей работают, то, возможно, отсутствует сигнал Power_Good .

Столь радикальный способ зашиты был предусмотрен фирмой IBM, исходя из тех соображений, что при перегрузке или перегреве блока питания его выходные напряжения могут выйти за допустимые пределы и работать на таком компьютере будет невозможно.

Иногда сигнал Power_Good используется для сброса вручную. Он подается на микросхему тактового генератора. Эта микросхема управляет формированием тактовых импульсов и вырабатывает сигнал начальной перезагрузки. Если сигнальную цепь Power_Good заземлить каким-либо переключателем, то генерация тактовых сигналов прекращается и процессор останавливается. После размыкания переключателя вырабатывается кратковременный сигнал начальной установки процессора и разрешается нормальное прохождение сигнала Power_Good, В результате выполняется аппаратная перезагрузка компьютера.

В компьютерах с формфакторами системной платы (типа ATX, micro-ATX и NLX) предусмотрен другой специальный сигнал. Этот сигнал, называемый PS_ON, может использоваться программой для отключения источника питания (и, таким образом, всего компьютера). Сигнал PS_ON используется операционной системой (например, Windows 9x), которая поддерживает расширенное управление питанием (Advanced Power Management - APM). Когда вы выбираете команду Завершение работы из главного меню, Windows автоматически отключает источник питания компьютера. Система, не обладающая этой особенностью, только отображает сообщение о том, что можно выключить компьютер.

1.2 Расчет потребляемой мощности

Чтобы выяснить, можно ли модернизировать компьютер, сначала вычислите мощность, потребляемую его отдельными узлами, а затем определите мощность блока питания. После этого станет ясно, нужно ли заменять блок питания более мощным. К сожалению, эти расчеты не всегда удается выполнить, потому что многие фирмы-производители не сообщают, какую мощность потребляют их изделия.

Довольно сложно определить этот параметр для устройств с напряжением питания +5 В, включая системную плату и платы адаптеров. Мощность, потребляемая системной платой, зависит от нескольких факторов. Большинство системных плат потребляют ток около 5 А, но будет лучше, если вы как можно точнее вычислите значение тока для вашей конкретной платы. Хорошо, если вам удастся найти точные данные для плат расширения; если их нет, то проявите разумный консерватизм и исходите из максимальной мощности потребления для плат адаптеров, допускаемой стандартом используемой шины.

Обычно превышение допустимой мощности происходит при заполнении разъемов и установке дополнительных дисководов. Некоторые жесткие диски, CD-ROM, накопители на гибких дисках и другие устройства могут перегрузить блок питания компьютера. Обязательно проверьте, достаточно ли мощности источника +12 В для питания всех дисководов. Особенно это относится к компьютерам с корпусом Tower, в котором предусмотрено много отсеков для накопителей. Проверьте также, не окажется ли перегруженным источник +5 В при установке всех адаптеров, особенно при использовании плат для шин PCI. С одной стороны, лучше перестраховаться, а с другой - имейте в виду, что большинство плат потребляет меньшую мощность, чем максимально допустимая стандартом шины.

Многие пользователи компьютеров заменяют блок питания только после того, как он сгорит. Конечно, при ограниченном бюджете принцип "не сломался - не трогай" в какой-то мере оправдан. Однако часто блоки ломаются не совсем: они продолжают работать, перио дически отключаясь или подавая на свои разъемы нештатные значения напряжений. Компьютер при этом работает, но его поведение абсолютно непредсказуемо. Вы будете искать причину в программе, хотя действительным виновником является перегруженный блок питания.

Опытные пользователи персональных компьютеров предпочитают не применять метод расчета мощности. Они просто покупают компьютеры с высококачественным источником питания, рассчитанным на 300 или 350 Вт (или устанавливают такой источник самостоятельно) и затем при модернизации системы не задумываются о потребляемой мощности. Если вы не планируете собрать систему с шестью дисководами SCSI и дюжиной других внешних устройств, то, вероятно, не превысите возможности такого блока питания.

1.3 Перегрузка блока питания

Недостаточно мощный блок питания может ограничить возможности расширения компьютера. Многие компьютеры выпускаются с довольно мощными блоками питания, которые рассчитаны на то, что в будущем в систему будут установлены новые (дополнительные) узлы. Однако в некоторых компьютерах блоки питания имеют настолько низкую мощность, что попытки установить в них мало-мальски приемлемый набор дополнительных модулей заранее обречены на провал.

Паспортное значение мощности, указанное на блоке питания, не должно вводить вас в заблуждение. Не все блоки питания, например на 200 Вт, одинаковы. Дешевые блоки питания наверняка могут развивать мощность, указанную в паспорте, а как обстоят дела с помехами и качеством напряжений в цепях питания? Одни блоки питания с трудом "вытягивают" свои параметры, а другие работают с большим запасом. Многим дешевым блокам питания свойственны нестабильные выходные напряжения, в них также присутствуют шумы и помехи, что может привести к многочисленным проблемам. Кроме того, они обычно сильно нагреваются сами и нагревают все остальные узлы. Большинство специалистов рекомендуют заменять установленные в компьютерах блоки питания более мощными. Поскольку конструкции этих блоков стандартизованы, найти замену для большинства систем не составит особого труда.

2. Выпрямитель напряжения сети

Напряжение электрической сети переменного тока через сетевой выключатель передней панели, плавкую вставку F, дроссель Т1, термистор RTN поступает на выпрямитель BD. Элементы Т1, С1, С2 формируют заградительный фильтр, предотвращающий проникновение в электрическую сеть импульсных помех, создаваемых источником питания для бытовой электронной аппаратуры.

Диодная сборка BD является мостовым выпрямителем напряжения сети, фильтрация пульсаций осуществляется последовательно соединёнными сглаживающими конденсаторами С13, С14. Такое включение конденсаторов необходимо как для работы полумостового преобразователя, так и способствует понижению допустимого значения рабочего напряжения конденсаторов фильтра, а следовательно, и уменьшению их габаритов; в рабочем режиме на положительной обкладке конденсатора С13 напряжение +310 В. Резисторы R2, R3 образуют цепь разряда конденсаторов С13, С14 при выключении источника питания.

Переключатель SW 1 соединяет один из выводов переменного напряжения со средней точкой конденсаторов С13, С14, при этом сравнительно просто реализуется схема удвоения напряжения при питании от источника переменного напряжения 115 В. В этом случае, как и в сети 220 В, выпрямленное напряжение на положительной обкладке конденсатора С13 равно +310 В.

3. Двухтактный преобразователь полу мостового типа

Двухтактный преобразователь полумостового типа составляет основу силовой части принципиальной схемы. Силовыми элементами преобразователя являются транзисторы Q1, Q2 типа NT405F, обратный диод размещается в корпусе транзистора. Вторая половина моста образована конденсаторами С13, С14, образующими делитель выпрямленного напряжения.

В диагональ моста включена первичная обмотка трансформатора Т4. Для исключения возможного несимметричного подмагничивания трансформатора Т4, что может иметь место при переходных процессах в преобразователе, применяется разделительный конденсатор С5. Режим работы транзисторов задаётся элементами R12, R18, R13, R19.

Управляющие импульсы на транзисторы преобразователя поступают через трансформатор Т2. Однако, запуск преобразователя происходит в автоколебательном режиме, при открытом транзисторе Q1 ток протекает по цепи.

Через переходные конденсаторы С15, С16 и ограничительные резисторы R16, R17 управляющие импульсы поступают в базу ключевых транзисторов, режекторная цепь R1, C8 предотвращает проникновение импульсных помех в переменную электрическую сеть. Диод D3 и резистор R14 образуют цепь разряда конденсатора С16, а D4 и R15 - цепь разряда С15.

При протекании тока через первичную обмотку трансформатора Т4 происходит процесс накопления энергии Т4, передача этой энергии во вторичные цепи источника питания и заряд конденсаторов С13, С14. Установившийся режим работы преобразователя начнётся после того, как суммарное напряжение на конденсаторах С13, С14 достигнет величины +310 В. При этом на микросхеме IC1 (вывод 12) появится питание от источника, выполненном на элементах D9, R20, C20.

4. Каскад управления

Основу каскада управления составляют транзисторы Q3, Q4. Нагрузкой каскада являются полуобмотки w1, w2 трансформатора T2, в точку соединения которых (вывод 2) через элементы R21, D15 поступает питание на схему. Режим работы транзисторов Q3 и Q4 задаётся резисторами R22, R32 и R23 соответственно. Управление транзисторами схемы осуществляется выходными импульсами микросхемы ШИМ - формирователя. Под воздействием управляющих импульсов один из транзисторов каскада, например Q3, открывается, а второй, Q4, соответственно, закрывается. Надёжное запирание транзисторов осуществляется цепочкой D17, D18, C17. Рассмотрим это. Пусть ток протекает, например, через открытый транзистор Q3, по цепи.

В эмиттере этого транзистора формируется падение напряжения +1,6 В. Оно является достаточным для запирания транзистора Q4. Наличие конденсатора C1 способствует поддержанию запирающего потенциала во время “паузы”. Диоды D14, D16 предназначены для рассеивания магнитной энергии энергии накопленной полуобмотками трансформатора Т2.

5. ШИМ - контроллер

ШИМ - контроллер источника выполнен на микросхеме DBL494, представляющей аналог TL494, и предназначен для формирования управляющих последовательностей полумостовым преобразователем. Конденсатор С11 и резистор R33 - элементы времязадающей цепи генератора, резистор R35 и конденсатор С10 образуют цепь коррекции усилителя ошибки 1.

Для реализации двухтактного режима работы преобразователя вход управления выходными каскадами соединён с источником эталонного напряжения С выводов 8 и 11 микросхемы управляющие импульсы поступают в базовые цепи транзисторов преобразователей. Напряжение питания микросхемы и транзисторов каскада управления +25 В поступает на вывод 12 IC1 и на среднюю точку первичной обмотки трансформатора Т1.

Режим “медленного пуска” реализован последовательным соединением элементов С22 и R34, причём положительная обкладка конденсатора С22 подключена к выходу источника эталонного напряжения (

Схема ШИМ - контролера представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 ШИМ - контроллер

6. Цепи стабилизации и защиты

Длительность управляющих последовательностей ШИМ - контроллера (вывод 8, 11 IC1) в установившемся режиме определяется сигналами обратной связи и пилообразным напряжением задающего генератора. Рассмотрим процесс формирования управляющих последовательностей.

На выходе усилителя ошибки 1 (вывод 3 IC1), формируется информация об отклонении выходных напряжений от номинальных значений в виде медленно изменяющегося напряжения. Для его формирования на инвертирующий вход усилителя подаётся информационное напряжение через делитель R40, R36 от источника эталонного напряжения. На его второй вход поступает пилообразное напряжение амплитудой +3,2 В. Длительность выходного импульса будет определяться интервалом времени, в течение которого “пила” превышает напряжение обратной связи. Далее это напряжение поступает на один из входов широтно - импульсного модулятора (ШИМ).

Повышенная нагрузка источника питания может привести к протеканию тока, способного создать аварийный режим работы транзисторов преобразователя, заключающийся в повышении тока через транзисторы преобразователя до предельных значений. Защита транзисторов преобразователя от такого “чрезмерного” тока осуществляется цепью R26, R27, D12, C18, подключённой к обмотке w5 согласующего трансформатора Т2. Информационный сигнал для этой цепи в виде отрицательного напряжения с делителя R28, R31 поступает на инвертирующий вход усилителя ошибки 2. Дополнительно к этому входу подводится сигнал от источника +5 В через резистор R30 с делителя R38, Rx.

Усилитель ошибки 2 включён компаратором с нулевым опорным (вывод 16 IC1), при этом на выходе компаратора устанавливается уровень логического нуля. В случае повышенного тока через транзисторы преобразователя на инвертирующем входе компаратора начинает преобладать отрицательное напряжение, и в некоторый момент времени компаратор переключится в противоположное, единичное состояние, запретив формирование импульсной последовательности на выходе ШИМ.

Регулирование длительности выходных импульсов ШИМ - контроллера возможно и по входу управления “пауза” (вывод 4 IC1). Кроме цепи “медленного запуска” С22, R34, функционирующей в период подачи питания на микросхему, управление по этому входу в переходных режимах осуществляется цепью: С19, R24, R25, Q8, D19.

В процессе убывания тока транзистор Q8 запирается, в результате чего потенциал на выводе 4 микросхемы растёт за счёт увеличения падения напряжения на резисторе R34 при протекании тока от источника эталонного напряжения через резистор R39 и диод D19. Длительность выходных импульсов будет уменьшаться.

Элементы R47, D20 совместно с Q5 образуют цепь защиты от короткого замыкания по каналам -12 В и -5 В, а резисторы R45, R46 с компаратором IC2.1 - по каналу +12 В. Наличие короткого замыкания в каналах -12 В или -5 В приведёт к запиранию транзистора Q5 и увеличению напряжения на выводе 4. Аналогичный подход использован и для защиты по каналу +12 В. В этом случае ток, запирающий транзистор Q5, будет протекать по цепи

В цепи защиты от превышения выходных напряжений номинальных значений дополнительно используются элементы IC2.2, ZD1. Действие защиты аналогично описанному выше.

Схема защиты представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема защиты БП LC - 200

7. Формирователь сигнала Power - Good

Сигнал Power - Good представляет собой уровень напряжения +4,5 В, формирующийся при появлении выходных напряжений на выходе компаратора IC2.4. На инвертирующие входы компаратора IC2.3, IC2.4 (вывод 8, 9) поступает напряжение +2,5 В с делителя R54, R55, от источника эталонного напряжения поступает опорное напряжение.

Формирователь сигнала Power - Good

8. Выпрямители импульсного напряжения

Выпрямители импульсного напряжения вторичных источников питания выполнены по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, обеспечивающей необходимый коэффициент пульсаций.

питание напряжение сеть

Список литературы

1 Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы/ Справочное пособие - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2005 - 583 с.

2 Галкин В.И., Булычев А.Л. Полупроводниковые приборы: Транзисторы широкого применения/ Справочник - Мн.: Беларусь, 1995 - 383 с.

3 Галкин В.И. Полупроводниковые приборы/ Справочник - Мн.: Беларусь, 1987 - 321 с.

4 Разевиг В.Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V.-М.: “СОЛОН”, 1997.- 273 с.

Размещено на Allbest.ru