|
|
Схемотехника блоков питания12 Питание компьютеров и периферийных устройств Эта глава посвящена «энергетическому интерфейсу» компьютера: в ней рассматривается, откуда берутся питающие напряжения и как их правильно подать на компоненты компьютера; куда девать высвобождающуюся тепловую энергию (иной физической работы, кроме нагревания окружающей среды, компьютер, увы, не производит). В этой главе также рассматриваются «здоровые отношения» компьютера, пользователя и питающей сети (условия их мирного сосуществования). Схемотехника блоков питания Блоки питания аппаратуры, предназначенные для питания от сети переменного тока, в зависимости от назначения и мощности могут быть выполнены по различным схемам. Схема простейшего блока питания с трансформаторным входом приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Блок питания с трансформаторным входом Здесь понижающий трансформатор, работающий на частоте питающей сети 50/60 Гц, обеспечивает требуемое напряжение и гальваническую развязку питаемых цепей от сети переменного тока. Выходное напряжение может стабилизироваться непрерывным или импульсным низковольтным стабилизатором напряжения. Главный недостаток такого блока — большие габариты низкочастотного силового трансформатора, Трансформатор блока питания, рассчитанный на частоту 60 Гц (зарубежные питающие сети), на частоте 50 Гц (наши сети) может ощутимо нагреваться. Естественно, от сети постоянного тока (такие изредка встречаются) такой блок работать не может. Блоки питания с трансформаторным входом применяются при небольшой выходной мощности, чаще всего — в выносных адаптерах (старых моделей), обеспечивающих питание модемов, хабов и прочих маломощных устройств внешнего исполнения. Такие блоки довольно часто монтируются прямо на вилке питания. В блоках питания с бестрансформаторным входом понижающий трансформатор работает на высокой частоте — в десятки и даже сотни килогерц, что позволяет уменьшить габариты и вес блока питания. В этом случае входное напряжение сразу выпрямляется и после фильтрации поступает на высокочастотный преобразователь. Высокочастотные импульсы преобразователя попадают на понижающий импульсный трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку выходных и входных цепей. Преобразователь чаще всего делают управляемым, так что на него возлагаются еще и функции регулирующего элемента стабилизатора напряжения. Управляя шириной импульса, можно изменять величину энергии, поступающей через трансформатор в выпрямитель, следовательно, регулировать (стабилизировать) его выходное напряжение. В зависимости от мощности стабилизатор строится по однотактной или двухтактной схеме. Однотактная схема несколько проще (рис. 3.2), ее применяют в блоках питания, где мощность обычно не превышает сотни ватт (например, в мониторах). В мониторах частоту импульсного блока обычно синхронизируют с частотой генератора строчной развертки во избежание видимых помех. В настоящее время выпускается широкий ассортимент управляющих микросхем со встроенным ключевым транзистором и развитыми функциями защиты и управления. Блоки питания на их основе получаются предельно простыми и компактными; маломощные блоки могут размещаться прямо в вилках-адаптерах.
Рис. 3.2. Однотактный блок питания (СФ - сетевой фильтр, Ф - формирователь импульсов; ОС - усилитель обратной связи) Двухтактные преобразователи сложнее, но они обеспечивают большую выходную мощность. Такие блоки широко используются в блоках питания PC (см. 3.2). Если блок питания должен вырабатывать несколько выходных напряжений, преобразователь может стабилизировать лишь одно из них. Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабилизаторами, но часто их оставляют нестабилизированными. При этом появляется взаимозависимость: чем больше нагрузка по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах. Импульсные блоки питания имеют малые габариты, но компактный трансформатор представляет собой довольно (это кому как – ДДВ) сложное изделие. Импульсные помехи, которые могут проникать как в питаемые, так и в питающие цепи, подавляют тщательно (ну очень тщательно – ДДВ) разработанными фильтрами. Внешнее излучение подавляется металлическим экраном, в который заключают весь блок. • Импульсные блоки питания не критичны к частоте сети (50 или 60 Гц), могут работать от постоянного тока (в принципе, но не рассматриваемые – ДДВ) и часто в широком диапазоне входных напряжений (ну – ну – ДДВ). Современные блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, работают в диапазоне 110 - 230 В без переключателя напряжения. Такие блоки применяются в большинстве современных мониторов.
ВНИМАНИЕ__________________________________________________________________Самый тяжелый режим функционирования элементов блока питания возникает в момент включения. После выключения блока питания (любой конструкции) включать его повторно рекомендуется не раньше, чем через 10 с. Несоблюдение этой рекомендации может сократить жизнь блока питания._________________________________________________
Наличие выпрямителя и накопительного конденсатора на входе бестрансформаторного блока питания обусловливает ярко выраженную (ну очень ярко, а динамика так уж… – ДДВ) динамическую нелинейность входной цепи. На рис. 3.3 приведены осциллограммы напряжений и потребляемого тока, которые иллюстрируют эту нелинейность (“от души” – ДДВ). Пока Мгновенное значение напряжения ниже напряжения на накопительном конденсаторе выпрямителя, ток практически не потребляется. На верхушках синусоиды ток резко возрастает, так что в его спектре очень сильно выражена 3-я гармоника. Для питающей сети такой характер нагрузки нежелателен, но с ним приходится мириться. Конечно, нелинейность имеется и в трансформаторном блоке питания, но она несколько сглаживается низкочастотным трансформатором.
3.2. Блок питания PC Блок питания PC обеспечивает напряжениями постоянного тока системный блок со всеми его сложными и часто привередливыми устройствами. С самых первых моделей PC здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным входом, без революционных изменений эта схема дошла и до наших дней (ее упрощенный вариант приведен на рис. 3.4). Входное напряжение после высокочастотного фильтра выпрямляется и поступает на накопительные конденсаторы (С1 и С2), являющиеся главными хранителями энергии на случай кратковременного провала питающего напряжения. Мощные высоковольтные транзисторы Т1 и Т2 и конденсаторы С1 и С2 образуют полумостовую схему генератора-преобразователя, нагрузкой которого является высокочастотный импульсный силовой трансформатор Тр2. Этот трансформатор обеспечивает и гальваническую развязку выходных и входных цепей. Преобразователь является регулирующим элементом стабилизатора напряжения основного источника: +3,3 В для АТХ (и более новых конструктивов) или +5 В (PC/AT). Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабилизаторами, но чаще их оставляют нестабилизированными. При этом чем больше нагрузка блока по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах. -Убедиться в этом просто — понаблюдайте за вентилятором блока питания, который питается от цепи +12 В, изменяя нагрузку по основной цепи, например подключая и отключая системную плату (ничего себе - эксперимент – ДДВ).
Рис. 3.4. Двухтактный блок питания: СФ - сетевой фильтр, УУ - устройство управления, Ф - формирователи импульсов, Тр1 - трансформатор развязки цепей управления, Тр2 - силовой трансформатор При подключении нагрузки скорость вращения вентилятора повышается. Это происходит потому, что с повышением тока нагрузки преобразователь вырабатывает более широкие импульсы, а выходное напряжение нестабилизированных выпрямителей при постоянной нагрузке пропорционально ширине этих импульсов. По этой причине уровни напряжения на не основных выходах большинства блоков питания соответствуют номиналам лишь при номинальной и сбалансированной нагрузке. Однако, как правило, потребители этих напряжений не требуют особой точности напряжения, а стабильность обеспечивается относительным постоянством нагрузки основной цепи. Двухтактные блоки питания многих поколений PC строились на основе управляющей микросхемы TL494CN или ее аналогов. Эта микросхема содержит встроенный генератор и управляет ключами выходных транзисторов, воспринимая сигнал обратной связи из цепи +5 В и сигнал отключения по токовой перегрузке. Для определения перегрузки по току последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включают еще и трансформатор тока (на рис. 3.4 для упрощения не показан), с выхода которого сигнал через пороговую схему подается на вход управляющей микросхемы. Интересная особенность блоков питания, построенных на микросхеме TL494CN, заключается в идеологии управления выходными ключами. Вопреки ожиданиям, связанным с эксплуатацией импульсных блоков питания, например ЕС ЭВМ, эта микросхема управляет запиранием выходных ключей, а не активным отпиранием. Благодаря такому подходу упрощается процесс запуска источника (в тех же блоках ЕС для запуска применялся источник служебного напряжения). При включении блока питания PC симметричный мультивибратор, образованный выходными транзисторами совместно с трансформатором, начинает плавно возбуждаться. Когда выходное напряжение цепи +12 В, от которого питается и управляющая микросхема, достигает уровня нескольких вольт, микросхема приступает к исполнению своих сдерживающих регулировочных обязанностей и блок выходит в рабочий режим, управляемый генератором микросхемы. Заметим, что некоторые блоки не запускаются без нагрузки. Для мощных блоков питания обеспечить работу в широком диапазоне питающих напряжений довольно сложно, и на них устанавливают переключатель входного напряжения:
Переключение диапазона входного напряжения легко осуществляется переключателем, который преобразует мостовую схему выпрямителя в схему выпрямителя с удвоением для питания от сети 115 В. При включении в сеть 220 В блока, предназначенного для работы при напряжении 110 В, часто выходят из строя ключевые транзисторы или диоды. Блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, работают в диапазоне 110-230 В без переключателя. В них применяют силовые компоненты с большим запасом по допустимым напряжению и току.
_________________________________________________________________ ВНИМАНИЕ Встречаются и «упрощенные» блоки питания (китайского производства), у которых сетевой фильтр отсутствует (конденсаторов нет, а дроссели заменены перемычками). Эта экономия оборачивается большим уровнем помех, попадающих от данного блока в сеть, и повышенной чувствительностью компьютера к помехам из сети. Эти помехи могут приводить к сбоям, зависаниям или внезапным перезагрузкам компьютера и даже к самопроизвольному включению компьютеров с блоком питания АТХ (см. далее).__________________________________________ ___________________________
Поскольку большинство цепей блока питания находится под высоким напряжением, ремонт блока требует соответствующей квалификации и знаний техники безопасности. Не вдаваясь в подробности, можно дать несколько практических рекомендаций по ремонту блока:
Блок питания PC обычно имеет стандартный конструктив и набор жгутов с разъемами питания системной платы и периферийных устройств. На задней стенке блока устанавливается входной разъем питающего кабеля, а также может присутствовать транзитный выходной разъем для питания монитора. Подключение монитора к этому разъему не только сокращает количество вилок, включаемых в розетку питания, но и обеспечивает связь «земель» монитора и системного блока. В ряде типов блоков питания транзитный разъем может и отсутствовать. При этом монитор включают в дополнительную розетку, и хорошо, если при этом соблюдают правила заземления. На задней стенке устанавливается также переключатель диапазона питающего напряжения, если таковой присутствует в блоке. Выключатель питания в старых конструктивах располагался на боковой или задней стенке блока питания» Позже его вынесли с блока питания на лицевую панель корпуса и стали присоединять к блоку кабелем со съемными контактами. К этому кабелю, проходящему через весь системный блок, следует относиться со вниманием, поскольку он является источником и опасности, и помех. В конструктиве АТХ главный выключатель питания вернулся на блок питания, а с передней панели блоком питания управляют с помощью кнопки и низковольтных цепей системной платы. Таким образом, провода с напряжением питающей сети удалось убрать из корпуса компьютера, и теперь высокое напряжение присутствует только внутри корпуса блока питания. Мощность блока питания зависит от назначения корпуса системного блока и лежит в диапазоне от 150-450 Вт для обычных компьютеров до 350-750 Вт для мощных серверов. В настольных компьютерах основными потребителями мощности являются системная плата с процессором и памятью, а также графический акселератор. Чем выше тактовые частоты, тем «прожорливее» эти компоненты, и мощность блока питания выбирается именно, под них. С учетом «аппетитов» процессоров 6-8-го поколений мощность 350 Вт не является излишней. У серверов значительное потребление может иметь подсистема хранения данных. Вентилятор блока питается от цепи +12 В и обеспечивает охлаждение всего системного блока. В традиционных блоках питания вентилятор работает на отсос воздуха из корпуса системного блока. В современных качественных блоках питания устанавливают так называемое устройство Fan Processor, регулирующее скорость вращения вентилятора в зависимости от температуры. Это позволяет увеличить ресурс вентилятора и снижает шум при нормальной температуре окружающего воздуха. 
12 Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
