Источники электропитания

А.В. Васильков, И.А. Васильков




                ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ





Рекомендовано Учебно-методическим советом Учебно-методического центра по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования

Москва
2021

УДК 537(075.32)
ББК31.25я723

      В19




Рецензенты:
кандидат технических наук, методист Учебно-методического центра по профессиональному образованию А.М. Попов кандидат педагогических наук, руководитель отдела информационно-методического сопровождения образовательного процесса ГОУ ДПО Учебно-методический центр по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы Н.Л. Демкина




      Васильков А.В.
В19 Источники электропитания : учебное пособие / А.В. Васильков, И.А. Васильков. — Москва: ФОРУМ, 2021. — 400 с. — (Профессиональное образование).


         ISBN 978-5-91134-436-8


         Приводятся сведения, которые необходимы не только студентам соответствующих специальностей, но и инженерам и техникам, чтобы оптимизировать выбор серийных источников питания, разрабатывать собственные оригинальные схемы, более уверенно эксплуатировать источники питания и диагностировать их неисправности.
         Изложение учебного материала ведется по модульному принципу с акцентом на формировании необходимых профессиональных компетенций в каждом разделе. При этом каждый раздел авторы постарались сформировать самостоятельным, что является более удобным для непрерывного образования специалистов.
         По содержанию учебное пособие соответствует новым образовательным стандартам соответствующих специальностей уровня бакалавриата и уровня среднего профессионального образования.


УДК 537(075.32)
                                                               ББК31.25я723







ISBN 978-5-91134-436-8

© Васильков А.В., Васильков И.А., 2012
             © Издательство «ФОРУМ», 2012

            Введение








   В области компьютерной техники импульсные источники питания давно и практически полностью заменили устаревшие линейные источники питания благодаря своей высокой производительности, улучшенной стабилизации напряжения и малым габаритам. Данное учебное пособие основывается на фундаментальных теоретических принципах работы подобных устройств, их базовых компонентов и методах проектирования. В учебном пособии используется метод развития профессиональных компетенций через проектное изучение предмета. Книга ориентирована на студентов, желающих глубже вникнуть в суть работы импульсных источников питания, их эксплуатации и основных вопросов проектирования. Используемые при этом математические расчеты остаются на уровне требований среднего профессионального образования. Особое внимание уделяется выбору соответствующих компонентов с учетом обеспечения безопасной и надежной работы схем импульсных источников питания. На примере конкретных схем и модулей рассматриваются некоторые взаимозаменяемые подходы при разработке и планировании эксплуатации импульсных источников питания.
   Поскольку эксплуатируемые источники питания компьютерной техники в настоящее время в основном зарубежного производства или построены на комплектующих деталях зарубежного поставщика, изложение схемотехнического учебного материала строится соответственно. Однако по возможности авторы приводили соответствующие аналоги российского производителя. По тексту, где это возможно, приведены международные обозначения, которые позволят будущему специалисту разобраться с аналогичными обозначениями, встречающимися в документации, сопровождающей устройства, в том числе и на языке оригинала.
   Учебное пособие, несмотря на наличие схемотехнических решений всех модулей источника питания компьютера, не является учебником по схемотехнике. Данное учебное изложение сохраняет логи

Введение

ку, необходимую для глубокого понимания принципов построения источников питания для компьютерной техники и других современных электронных устройств. Для изучения схемотехнического разнообразия необходимо после изучения данного учебного пособия обратиться к специализированным учебникам по схемотехнике.
   В учебном пособии рассматриваются как сетевые источники питания, так и преобразователи постоянного напряжения, а также батареи для компактных компьютеров. Принципы построения источников питания охватывают и область построения импульсных источников для офисной оргтехники, бытовых устройств, а также мобильных и компактных технических устройств, таких как мобильные роботы, устройства мехатроники и систем типа «умный дом».
   В учебном пособии представлены основные схемы импульсных источников питания, включая обратноходовые и прямоходовые преобразователи, мостовые, понижающие, повышающие и комбинированные схемы.
   Материал пособия соответствует стандарту цикла специальностей, связанных с эксплуатацией компьютерной техники, компьютерных сетей и вопросов безопасности, а также соответствует примерной программе по специальной дисциплине «Источники питания средств вычислительной техники» уровня среднего профессионального образования.
   Учебное пособие будет полезно как студентам среднего профессионального, так и бакалаврам высшего профессионального образования. Кроме этого, полезный материал для себя найдут действующие специалисты по компьютерной технике и информационным тех

нологиям.

Глава 1


            ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВАХ
            ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ








        Компетенции

   Понимание общих принципов построения устройств электропитания для компьютерной техники.



1.1. Общие сведения об источниках электропитания компьютера


   Источник питания компьютера чаще называют блоком питания (БП). Он устанавливается внутри корпуса и является составной частью компьютера, предназначенной для преобразования напряжения электросети в уровни, необходимые для работы компьютера, и для поддержания установленного потребления мощности по ним.
   Источники питания компьютерной техники должны отвечать требованиям на соответствующие устройства для электронной техники. На рис. 1.1 представлена обобщенная структурная схема подобного блока питания.
   Основой ее является выпрямитель на диодах, соединенных по определенной схеме. При построении системы преобразования по рис. 1.1 трансформатор на входе схемы выпрямления выполняет


Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема источника питания:
/ — трансформаторная схема (ТС); 2 — схема выпрямления (СВ); 3 — схема сглаживающего фильтра (ССФ); 4 — схема стабилизации напряжения (ССН); 5 — нагрузка (Н)

Глава 1. Общие сведения об устройствах электропитания компьютеров

вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного переменного напряжения ~U₂ при заданном первичном переменном напряжении ~Uₗ с целью получения требуемой величины постоянного напряжения на выходе преобразователя в целом. Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора определяет соотношение напряжения на выходе к напряжению на входе трансформатора.
    В совокупности схема трансформатора и схема выпрямления (1,2 на рис. 1.1) составляют выпрямитель (AC-DC), т. е. преобразователь переменного тока (АС — alternating current) в постоянный ток (DC — direct current). Все остальные схемы преобразуют определенные параметры постоянного тока (DC) и в совокупности составляют преобразователь (DC-DC).
    Наиболее распространенные в настоящее время блоки питания формируют следующие уровни напряжений: +5 В, -12 В, -5 В, +12 В, GND (земля). В блоках питания для ATX-конфигураций¹ добавляется еще +3,3 В.
    На системную (материнскую) плату подаются все напряжения, на остальные устройства только +5 В и +12 В. Земляной провод соединяет все устройства.
    Если компьютер начинает работу до того момента, когда питающие напряжения достигнут нужных уровней, то возможны некорректная загрузка, зависание, а в худшем случае некоторые электронные компоненты вообще могут выйти из строя. В целях недопущения подобной ситуации в процесс взаимодействия блока питания и материнской платы был введен специальный защитный механизм: материнская плата не начинает загрузку до тех пор, пока не получит от блока питания специального сигнала, а блок его подает только после того, как все питающие напряжения выйдут на нужный уровень — это сигнал «Power Good». В системах ATX предусмотрено программное управление работой блока питания. В зависимости от своих потребностей компьютер может переключать блок питания в необходимый режим работы.
    Типовые блоки питания изготавливаются в нескольких вариантах для обеспечения различных номиналов потребляемой мощности: 150 ватт (Вт), 180 Вт, 200 Вт, 230 Вт, 250 Вт, 300 Вт и т. д.

    ¹ ATX — Advanced Technology extended.

1.1. Общие сведения об источниках электропитания компьютера

7

   Отходящие от блока питания провода объединены в жгуты, на конце каждого из них закреплен разъем. Они могут быть трех видов и предназначаются для подключения различных устройств:
   • разъем для подключения системной платы. В АТ системных блоках — это два однорядных разъема (Р8 и Р9) по 6 линий каждый, всего 12 линий (рис. 1.2). Вставлять в разъем платы необ

       +5V     красный              
       +5V     красный              
Р8     +5V     красный              
       -5V     белый                
        X      черный        При    
        1      черный    подключении
        X      черный    должны быть
        X      черный      рядом!   
Р9    -12 V    голубой              
      +12 V    желтый               
       +5V     красный              
    Power Good оранжевый            

Рис. 1.2. Разъемы подачи питания на системную плату от блока питания типа АТ

оранжевый   +3,3 V    +3,3 V            оранжевый
коричневый  -12 V     +3,3 V            оранжевый
черный        X       X                 черный   
зеленый    Power ON   +5V               красный  
черный        X       X                 черный   
черный     X          +5V               красный  
черный     X          X                 черный   
  белый      -5V      Power Good          серый  
                      +5VSB                      
 красный     +5V      (уровень Standby) сиреневый
 красный     +5V      +12 V              желтый  

Рис. 1.3. Разъем подачи питания на системную плату от блока питания типа ATX

Глава 1. Общие сведения обустройствах электропитания компьютеров

ходимо таким образом, чтобы черные провода (земля) были рядом. В ATX системных блоках — один двухрядный на 20 линий (рис. 1.3);
   • большие — на четыре линии. Предназначены для подключения винчестеров, лазерных CD- и DVD-дисководов;
   • маленькие — на четыре линии. Используются для подсоединения дисководов 3,5" и некоторых других устройств.


1.2. Общие сведения о базовых компонентах.
Трансформаторы, катушки индуктивности, дроссели

   Общие сведения. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
   Трансформаторы получили очень широкое практическое применение для передачи электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее приемниками, а также в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах.
   Трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магнитопроводе. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, — вторичной.
   Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
   Принцип действия и устройство трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС по вторичной обмотке и через приемник энер

1.2. Общие сведения о базовых компонентах...

9

гии будет протекать ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.
   Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). Трансформаторная сталь может быть горячекатаной и холоднокатаной.
   Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как поперек проката магнитная проницаемость относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались по направлению проката стали.
   Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали. В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собираются из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением проката стали.
   У горячекатаной стали магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях, и при малых мощностях магнитопроводы собирают из пластин Ш- или П-образной формы, штампующихся из листовой стали.
   В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки. Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений. Магнитопроводы из холоднокатаной стали, как стержневые, так и броневые, выполняются ленточными.
   Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготавливают исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток высокого напряжения от магнитопровода, чем в броневых.

Глава 1. Общие сведения об устройствах электропитания компьютеров

В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от магнитопровода значительно упрощается. Трансформаторы малой мощности часто изготавливают с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.
    Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяют тороидальные (кольцеобразные) магнитопроводы, достоинством которых является относительно малое магнитное сопротивление и почти полное отсутствие внешнего потока рассеяния. При равномерном распределении обмоток по окружности тороида такие трансформаторы нечувствительны к внешним магнитным полям независимо от их направления. Тороидальные магнитопроводы изготавливают из ленты холоднокатаной стали, а обмотки наматывают на специальном станке челночного типа.
    Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше противостоят радиальным механическим усилиям, возникающим во время работы трансформатора. В некоторых случаях применяют катушки более сложной формы — прямоугольные, овальные и др. При малых токах обмотки наматывают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения, а при больших — прямоугольного поперечного сечения.
    Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низкого напряжения, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высокого напряжения. Обмотку низкого напряжения изолируют от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электро картона). Обмотку высокого напряжения изолируют от обмотки низкого напряжения.
    При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно было бы придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода. Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо его собрать из большого числа стальных листов различной ширины. Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет