Источники питания компьютеров

Введение

     Практически вся  радиоэлектронная аппаратура (РЭА) нуждается  в одном или нескольких источниках питания. Ряд фирм и предприятий  проводят исследования в области  линейных и импульсных источников питания, производят и поставляют их на рынок  в значительных объемах. В настоящее время, приобретение необходимого источника электропитания, как правило, не представляет затруднений. В тоже время при разработке современной радиоаппаратуры для её более эффективной и безопасной работы разрабатывается свой источник питания.

     Импульсные  источники питания находят все  более широкое практическое применение во всех областях электроники благодаря  особым преимуществам и, прежде всего, высокому коэффициенту полезного действия, малым габаритам и весу.

     Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

     Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование.

     Импульсные  источники питания завоевывают  все большее жизненное пространство. Надежность их растет, и те недостатки, которые характерны для импульсных преобразователей энергии, с лихвой компенсируются их несомненными преимуществами. Сейчас они начинают применяться уже в тех областях, где традиционно использовались линейные источники питания.

     Один  из недостатков импульсных преобразователей энергии это то, что они являются источником высокочастотных помех, проникающих в первичную сеть переменного тока. Это, в свою очередь, может приводить к нестабильной работе другого оборудования, подключенного к той же фазе первичной сети, что и импульсный источник.

     В настоящее время наблюдается  увеличение потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени и применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании вместе с обеспечением большим количеством разнообразных возможностей выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.

     Невзирая  на то, что при генерации электроэнергии, напряжение имеет отличные характеристики, в тот момент, когда электропитание достигает потребителя, его качество далекое от идеального. Большинство типов помех недопустимое, это значительные провалы напряжения и колебания частоты, которые могут привести к непоправимым потерям, вызванных повреждением оборудования. Финансовые последствия этого могут существенно влиять не только на текущую работу, но и на развитие предприятия, которое понесло убытки.

     При проектировании радиоэлектронной аппаратуры, одним из основных критериев экономичности  является снижение потребляемой устройством  мощности (применение новых технологий позволило сократить на несколько порядков потребление энергии бытовой аппаратурой, по сравнению с тем, что было десятки лет тому назад).

     За  прошедшие более чем 100 лет от момента появления первого электронного устройства (радио А.С. Попова) до наших  дней изменилось несколько поколений электронных устройств, которые имеют принципиальные отличия по функциональным возможностям, типу применяемой элементной базы, конструктивно-техническому решению и т.д. Это равной мерой относится к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако каждый вид электронных средств, будь это компьютер, схема управления работой системы жизнеобеспечения, проигрыватель компакт дисков или радиолокационная станция, все они имеют устройство, которое обеспечивает электропитанием все узлы и элементы (электронных ламп, транзисторов, микросхем), устройств, которые входят в ту или иную систему.

     Следовательно, наличие источника питания в любом устройстве вещь вполне очевидная и требования к нему достаточно большие, ведь от его качественной работы зависит работа устройства в целом.

     Особенное внимание, при разработке источников питания, стали уделять при построении сложных цифровых устройств (персональный компьютер или другая микропроцессорная техника), где возникла потребность обеспечения этих устройств непрерывным и самое главное - качественным питанием. Пропадание напряжения для устройств этого класса может быть фатальным: медицинские системы жизнеобеспечения нуждаются в постоянной работе комплекса устройств, и требования к их питанию очень строги; системы банковской защиты и охранные системы; системы экстренной связи и передачи информации.

     При создании электронного устройства отдельного класса и назначения (электронно-вычислительные машины, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник обеспечения гарантированного питания может быть подобран из тех, которые выпускаются серийно. В некоторых странах существуют фирмы, которые специализируются на промышленном выпуске источников питания, и потребитель имеет возможность выбрать тот, который ему больше всего подходит. Однако, когда по эксплуатационным, конструкторским или другим характеристикам источника питания, которые выпускаются серийно, не удовлетворяют потребностям потребителя, необходимо разработать новый, с учетом всех правил, специфических для этого вида. 

1.Общие сведения

     Для работы большинства электронных  устройств необходимо наличие одного или нескольких источников питания (ИП) постоянного тока.

Линейные  и импульсные источники  электропитания.

     Любые источники питания принято делить на линейные и импульсные. Стабилизированные  ИП по характеру стабилизации напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) и импульсным регулированием.

     В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется (рис.1). 

     

     Рис. 1. схема линейного источника питания 

     В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра  низкой частоты.

     В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно  или параллельно с нагрузкой  включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

     Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что  их выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение Uвых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх, а сам стабилизатор непрерывно рассеивает мощность Pрас≈Iвых(Uвх − Uвых), где Iвых – выходной ток (ток нагрузки).

     Импульсные  ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение питающей сети переменного тока без использования первичного силового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток коммутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высокочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется (рис.2).

     

Рис. 2. схема импульсного источника питания

     В – выпрямитель;

     ФНЧ – фильтр низкой частоты;

     КРЭ – ключевой регулирующий элемент;

     Т – трансформатор.

     Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируемым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по напряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение (управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 кГц и выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты.

     Достоинством  импульсных ИП является высокий КПД – 60 – 80%, КПД линейных источников питания, как правило, не превышает 40 – 50%.

     Для питания РЭА используются три  типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве ИП:

     - преобразователь – переменный  ток/постоянный ток (AС-DС конверторы),

     - преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор),

     - преобразователь – постоянный  ток/переменный ток (DC-AC преобразователь  или инвертор).

     Каждый  тип устройств имеет собственные  определенные области применения.

     Импульсные  стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут:

     1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное  напряжение;

     2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения  становится противоположной полярности  входного напряжения).

     DC-DC конверторы используют принцип  действия импульсных ИП, но применяются  для того, чтобы преобразовывать  одно постоянное напряжение в  другое, обычно хорошо стабилизированное.  Такие преобразователи используются, большей частью, там, где РЭА  должна питаться от химического источника тока или другого автономного источника постоянного тока.

     Интегральные DC-DC конверторы широко используются для  преобразования и распределения  постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого ИП или батареи.

     Другое  распространенное применение для DC-DC конверторов, это преобразование напряжения батареи (1.5, 3.0, 4.5, 9, 12, 24 В) в напряжение другого  номинала. При этом выходное напряжение может оставаться достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения батареи. Например, напряжение 12-ти вольтовой автомобильной аккумуляторной батареи в процессе работы может изменяться в пределах от 6 до 15 В. 
 
 

2.Элементная база ИП

     В качестве базовых электрорадиоэлементов  ИП используются:

     1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы);

     2) полупроводниковые диоды, стабилитроны  и стабисторы, тиристоры, транзисторы;

     3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные  и высокочастотные);

     4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость);

     5) линейные интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители  низкой частоты);

     6) интегральные стабилизаторы напряжения  и тока (линейные и импульсные);

     7) интегральные микросхемы, входящие  в состав импульсных ИП (АС-DС  и DС-DС конверторы, однотактные и двухтактные ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания);

     8) элементы (устройства) индикации (лампы  накаливания и светодиоды, аналоговые  и цифровые индикаторы);

     9) предохранители (плавкие, биметаллические,  электронные).

     Современная тенденция развития ИП такова, что  они строятся в основном с применением  интегральных микросхем, а доля дискретных активных элементов в них постоянно  уменьшается. Уже в 1967 была разработана микросхема линейного интегрального стабилизатора µА723, представляющая собой настоящий блок питания. Микросхема 723 содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, широкий спектр функциональных возможностей, но построены на тех же принципах, что и µА723.

     Отечественной и  зарубежной промышленностью выпускается большое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на фиксированное значение напряжения, так и предназначенных для регулирования величины, выходного напряжения в достаточно широких пределах. Например, выходное напряжение недорогой отечественной микросхемы КР142ЕН12А может изменяться в пределах от +1,25 до +36 В. При этом она может отдавать ток в нагрузку до 1,5 А.

     Ряд линейных стабилизаторов, помимо своей основной функции, способны:

     1) следить за значением входного  напряжения и формировать контрольный сигнал, предназначенный для предупреждения об аварийной просадке напряжения на входе;