Блоки живлення комп’ютерних систем

Блок живлення це пристрій, що забезпечує комп’ютерну систему необхідними напругами при достатній силі струму.

Різні комп’ютерні системи потребують різних наборів напруг і відповідно мають різні силові характеристики (потужність).

Розглянемо одну з стандартних систем живлення комп’ютерів IBM PC.

Характеристики блоків живлення для них наведені у таблиці.

Характеристики наведені у таблиці відповідають блоку живлення потужністю 200 Вт. Блоки з іншою потужністю мають інші показники сили струму, а напруги ті самі. Як бачимо переважну частину потужності складають напруги +5В та +12В. Напругою +5В живиться більшість логічних схем комп’ютера , а напруга +12В використовується для живлення двигунів дисководів та фенів(їх ще називають кулерами), які призначені для охолодження мікросхем. В сучасних комп’ютерних системах напруга +12В використовується також для живлення процесора (ця напруга перетворюється у напругу ядра процесора додатковим перетворювачем, що розташований на материнській платі).

Напруга +3,3В призначена для живлення відео системи та деяких специфічних задач. Напруга –5В використовується спеціалізованими схемами, що застосовують від’ємну логіку. Існують також додаткові напруги, які іноді зустрічаються у блоків живлення, але основними є ті, що перелічені у таблиці.

Отже блок живлення призначений для перетворення напруги з мережі у набір напруг, що використовуються у комп’ютерній системі. За якою ж схемою будують блоки живлення? Ми розглянемо дві основні схеми.

Почнемо з найпростішого варіанту, який практично вже не використовується . Це трансформаторний блок живлення. Про його недоліки і переваги поговоримо пізніше. Ось його схема.

Рисунок 55. Схема трансформаторного блоку живлення.

Основою блоку є силовий трансформатор, що перетворює напругу електромережі 220В(обмотка І) у напруги необхідні для живлення системи. Ці напруги присутні на обмотках ІІ, ІІІ, ІV, V. За допомогою діодів D1,D2,D3,D4 змінна напруга випрямляється. Конденсатори С1,С2,С3,С4 призначені для згладжування пульсацій постійного струму, які мають місце після випрямлення змінного струму. Далі випрямлена напруга потрапляє на стабілізатори напруги СТ1, СТ2, СТ3, які являють собою спеціалізовані мікросхеми. Останній стабілізатор (-5В) виконаний за спрощеною схемою на стабілітроні D5 (сила струму цього джерела невелика, тому потужній стабілізатор не потрібен). Вивід блоку “0 В” є загальним для всіх джерел.

Подібні блоки живлення використовувались у перших персональних комп’ютерах і мали сумарну потужність до 100Вт. В сучасних умовах такий блок може бути цікавим, як блок для тестів та випробувань на стенді. Основними перевагами його є простота і можливість роботи на холостому ходу (без навантаження) та з незначним перевантаженням, що в умовах випробувань є дуже важливим. До недоліків слід віднести велику вагу та габарити (300 Вт важить близько 12кг) і проблеми побудови стабілізаторів на струми більше 5А (а потрібно більше 20А).

В сучасних комп’ютерних системах використовують переважно імпульсні блоки живлення. Основною їх перевагою є мала маса(до 2кг), невеликі габарити (практично майже однакові для потужностей від 100Вт до 1.5 кВт) і великі потужності. Недоліком є неможливість працювати на холостому ходу (без навантаження блок виходить з ладу), не індуктивний характер навантаження, що може бути причиною виходу з ладу при застосуванні індуктивних стабілізаторів і необхідність примусового охолодження.

Розглянемо структурну схему імпульсного блоку живлення.

Рисунок 56. Спрощена схема імпульсного блоку живлення.

Наведена схема значно спрощена з метою пояснення принципів роботи.

Вхідне коло містить випрямляч на діодному мості VD1. Конденсатори С1 та С2 призначені для згладжування пульсацій випрямленої напруги.

Слід зауважити, що випрямлена мережева напруга становить не 220 В, а 220* В (амплітудне значення змінної напруги у разів більша за діючу), тобто на виході випрямляча в дійсності близько 320В. Цією напругою живиться генератор G виконаний на спеціалізованій мікросхемі DD1 та транзисторні підсилювачі. Генератор виробляє імпульси з частотою слідування від 20000 до 100000 Гц ( 20-100кГц ). Така висока частота дозволяє суттєво зменшити розміри трансформатора, що і дозволяє отримати невеликі розміри та вагу цих блоків живлення. На транзисторах Т1, Т2 виконані електронні ключі які навантажені на первинну обмотку трансформатора. У вторинні обмотки включені випрямлячі для відповідних напруг. Як бачимо, в цьому варіанті після випрямлячів немає стабілізаторів напруги, вони тут не потрібні так як стабілізація відбувається за рахунок зворотного зв’язку (на схемі не показаний) який поступає на мікросхему генератора. В зв’язку з наявністю стабілізуючого зворотного зв’язку імпульсні блоки живлення не можна вмикати без навантаження ( вихідні напруги на відкритих виходах значно перевищують номінальні значення і блок виходить з режиму стабілізації, в результаті чого виходить з ладу за долю секунди).

Реальні імпульсні блоки живлення відрізняються наявністю проміжного підсилювального каскаду і додаткового трансформатора (ступеневе підсилення). Крім того слід звернути увагу на те, що сучасні блоки живлення випускаються у двох варіантах, щодо енергозберігаючих функцій та функцій вмикання/вимикання.

Блоки АТ – вмикаються і вимикаються за допомогою кнопки з фіксацією і практично не використовують енергозберігаючі функції.

Блоки АТХ – для ввімкнення та вимкнення використовують сигнал з материнської плати, забезпечують автоматичне вимикання комп’ютера і використовують енергозберігаючі функції. Ці блоки відрізняються також роз’єами живлення : у АТ – однорядний роз’єм з двох частин (застосовувався у комп’ютерах до PentiumII включно), а у АТХ –двохрядна колодка на 20 або 24 контакти.

65. Класифікація та призначення генераторів гармонічних коливань. Умови самозбудження автогенераторів
Генератори гармонічних коливань
Генератори гармонічних коливань призначені для перетворення енергії джерела постійного струму в енергію незатухаючих синусоїдальних коливань. Вони мають активний елемент, який охоплений додатним частотно-залежним зворотним зв’язком. Такі генератори побудовані за кільцевою схемою, в якій діє додатний зворотний зв'язок. В якості активних елементів використовуються транзистори, операційні підсилювачі, діоди з ділянкою з від’ємним диференціальним опором.

В якості частотно-залежних використовують резонансні ^ LC-контури, кварцові резонатори, RC, RL-кола.

За типом частотно-залежних ланок генератори розділяються на LC, RC, RL-генератори. В залежності від генерованих частот генератори поділяються на :
1.Високочастотні генератори 100 кГц – 100 Мгц.

2.Низькочастотні генератори 10 Гц – 100 кГц.

3.Інфранизькочастотні генератори – 10 Гц і нижче.
З конструктивних міркувань на високих частотах в основному застосовують ^ LC–генератори. На низьких частотах RC–генератори при напругах живлення 4 В і вище. На низьких та інфранизьких частотах при напругах живлення 1 В і більш ефективні RL RLM–генератори.

В залежності від наявності елементів плавної переналадки частоти генератори поділяються на діапазонні генератори і генератори фіксованої частоти.

Переважно застосовуються для генерування низькочастотних коливань. Вони мають частотно-залежні ланки на R і C елементах і в залежності від створюваного нею фазового зсуву на частоті квазірезонансу, інвертуючий або неінвертуючий підсилювач. Частота, яка генерована RC-генератором, називається квазірезонансною, оскільки RC-елементи не мають резонансних властивостей, як наприклад LC-контур.

^ 5.1 Призначення і класифікація електронних генераторів
Електронними генераторами називають пристрої, які перетворюють з допомогою підсилювальних пристроїв енергію джерела живлення в енергію електричних коливань заданої частоти і форми кривої.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів являється принцип управління режимом їх роботи. По цій ознаці розрізняють генератори з незалежним збудженням (зовнішнім управлінням), режимом роботи яких управляють від зовнішнього джерела змінної напруги, і генератори з самозбудженням (внутрішнім управлінням) — автогенератори.

По формі вихідних коливань розрізняють генератори гармонічних (синусоїдних) коливань і генератори коливань несинусоїдальної форми (прямокутної, пилоподібної та інші), які називають релаксаційними (імпульсними). Робота останніх характеризується специфічними особливостями, тому їм присвячений окремий розділ.

Гармонічні коливання в генераторах підтримуються резонансними контурами або іншими резонуючими елементами (кварцові резонатори, об’ємні резонатори і т.п.) або з допомогою фазуючих RC-кіл, які вмикаються в коло зворотного зв’язку підсилювачів. Перші називаються LC-генераторами, а другі — RC- генератори гармонічних коливань.

Малопотужні LC- генератори гармонічних коливань застосовуються в вимірювальних і регулюючих пристроях, а також слугують в якості задаючих генераторів в радіопередавачах. LC-генератори середньої і великої потужності широко використовуються для живлення технологічних установок ультразвукової обробки матеріалів і діелектриків, електронних мікроскопів і ін.

RC-генератори гармонічних коливань використовуються як задаючі пристрої в системах перетворення постійного струму в змінний, а також в різних вимірювальних пристроях і системах.

^ 5.2. LC-генератори з самозбудженням (автогенератори)
5.2.1. Умови самозбудження автогенератора
При розгляді генераторів з незалежним збудженням припускається їх управління електричними коливаннями, що поступають від попередньої ланки схеми. Однак повинні існувати такі ланки, які генерують електричні коливання без будь-якої керуючої дії ззовні. Такі схеми працюють в автоколивному режимі і називаються автогенераторами. При цьому основною ознакою автогенератора являється частота генеруючих коливань, тобто частота перетворення напруги джерела живлення схеми в коливання змінної напруги.

Можливі умови, при яких підсилювач, охоплений додатним зворотним зв’язком, самозбуджується, так як коефіцієнт підсилення на відповідних частотах досягає безмежно великого значення. Це обумовлює наявність вихідної напруги при відсутності вхідної. Цей принцип використовують автогенератори гармонічних коливань, які представляють собою підсилювальну ланку з коефіцієнтом підсилення , охоплену додатним зворотним зв’язком з коефіцієнтом передачі по напрузі (рис. 1).

Для напруги, яку заміряємо на виході ланки зворотного зв’язку, можна записати:

(1)

В свою чергу напруга на виході генератора
. (2)

або з врахуванням (1),

. (3)

Отже, встановлені коливання будуть існувати в схемі при умові, що

. (4)

Очевидно також, що при амплітуда коливань буде неперервно зростати.

Умову (4) можна записати наступним чином
. (5)

Оскільки — величина комплексна, процес самозбудження автоколивань, який описаний (5), можна представити у вигляді двох умов

(6)

. (7)

Рівняння (6) відображає процес балансу фаз, при яких зсув фаз в замкнутому колі автоколивної системи повинен дорівнювати , де =0, 1, 2, 3...

Рівняння (7) показує, що для існування автоколивного режиму послаблення сигналу, яке вноситься ланкою зворотного зв’язку, повинно компенсуватися підсиленням. Ця умова відображає процес балансу амплітуд.

Варто підкреслити, що для генерації гармонічних коливань система автогенератора повинна містити частотно-залежне коло, яке обумовлює виконання умов балансу фаз і амплітуд на одній і тій самій частоті.

Процес розвитку і встановлення коливного процесу автогенератора (за умови виконання балансу фаз) можна пояснити з допомогою графічних побудов.

На рис.5.2 зображені амплітудна характеристика саме підсилювальної ланки і пряма зворотного зв’язку , що характеризує послаблюючу дію ланки зворотного зв’язку.

Якщо на вхід підсилювальної ланки генератора за будь-якими причинам в певний момент часу надходить сигнал з амплітудою напруги U_вх1 , то після підсилення в К разів на виході підсилювача з’явиться сигнал з амплітудою U_вих1 . Ця напруга, послаблена в раз, викличе на виході підсилювача напругу U_вх2, яка створить на виході нову напругу. Описаний процес протікає до тих пір, поки амплітуда вихідного сигналу не досягне своєї усталеного значення U_уст (точка А), при якій виконується умова (7)

Як видно на рис.5.2,а), за рахунок нелінійності амплітудної характеристики, зумовленої нелінійністю характеристик транзистора, коефіцієнт підсилення підсилювальної ланки з підвищенням рівня вихідного сигналу зменшується. Отже, для процесу розвитку автоколивань умова (7) запишеться у вигляді
(8)

Загальним записом умови балансу амплітуд являється
(9)
Тут знак нерівності відображає процес розвитку автоколивання, а знак рівності – усталений процес. Таким чином, амплітуда усталених коливань обмежується нелінійністю характеристик транзистора.

З рис.5.2, а), слідує також, що після вмикання схеми автоколивання розвиваються при дії на вхід підсилювальної ланки безмежно малих імпульсів, які завжди наявні в напрузі шумів. Такий режим роботи автогенератора називається м’яким режимом самозбудження.

Якщо робоча точка вибрана на нелінійній ділянці характеристики транзистора, то амплітудна характеристика має вигляд, показаний на рис.5.2, б). В цьому випадку коливання виникають при наявності на вході підсилювальної ланки поштовху напруги не менше . Такий режим виникнення коливань називається жорстким режимом самозбудження.

Характеристику називають також коливальною характеристикою автогенератора і використовують зазвичай для експериментального визначення амплітуди усталених коливань.