Исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания PC

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий

Дипломная работа

Тема: Исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания PC

Исполнитель

Загородний Сергей, гр. 415

Специальность: ВМКС

Руководитель

преподаватель отделения ИТ

Зинченко Сергей Владимирович

г. Тирасполь 2013г.

Пояснительная записка к дипломной работе

На тему: «Исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания PC»

Специальность: «Вычислительные машины, комплексы и сети»

Задание по охране труда: Меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники

Исполнитель Загородний С.

Руководитель Зинченко С.В.

Консультант по охране труда Дымкович М.Я.

Дипломная работа допущена к защите " " 2013г.

Зам. директора по учебной части Cыли Н.В.

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ

Студент: Загородний Сергей группа: 415

Тема работы: Исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания PC

Срок сдачи работы:

Перечень вопросов дипломной работы

а) Обзор литературных данных по теме диплома

б) Провести исследования по данной тематике:

- разработка схемы

- спроектировать стенд, устройство, узел.

- написать программу

- анализ рабочих характеристик

в) Привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства

г) Задание по охране труда: Меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники.

Реферат

В данной дипломной работе рассмотрено исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания ПК. Целью работы является анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы блока питания компьютера, изучение основных компонентов импульсного блока питания, рассмотрение принципов работы выпрямителя и сглаживающего фильтра, а также разработка структурной и принципиальной схемы устройства, изготовление макета.

В дипломной работе исследованы однополупериодные и мостовые выпрямители с фильтрами и без фильтров. Использованы емкосные фильтры (5, 10 мкФ). Все необходимые схемы были собраны в пакете - Electronic WorkBench. На каждую собранную схему выведены графики переменного напряжения на данных участках с помощью осциллографа, входящего в пакет Electronic WorkBench.

В части диплома, связанной с охраной труда, рассмотрены основные меры безопасности при техническом обслуживание электронной техники: санитарно-гигиенические нормы, требования пожарной безопасности электробезопасность, защита от шума и вибраций, требования к организации рабочего места техника и требования безопасности при пайке.

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Теоретическая часть. Исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания ПК
• 1.1 Аналитический обзор по теме
• 1.1.1 Выпрямители источников питания
• 1.1.2 Сглаживающие фильтры, назначение, классификация, принцип работы
• 1.1.3 Назначение и классификация стабилизаторов. Основные параметры
• 1.1.4 Блоки питания персонального компьютера
• 1.2 Практическая часть
• 1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники
• 1.2.2 Исследование выпрямителя и фильтра блока питания ПК с помощью программы ewb
• Глава 2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники
• 2.1 Анализ условий труда
• 2.1.1 Производственная санитария и гигиена труда
• 2.1.2 Производственный шум. Защита от шума и вибраций
• 2.1.3 Статическое электричество и электромагнитные излучения
• 2.1.4 Электромагнитные излучения
• 2.2 Требования к помещению и к рабочему месту для эксплуатаций и ремонта компьютерной техники
• 2.2.1 Электробезопасность
• 2.2.2 Действие электрического тока на организм человека
• 2.2.3 Требования безопасности при наладке и ремонте компьютерной техники
• 2.3 Причины возникновения пожаров в электронной аппаратуре, причины коротких замыканий
• 2.3.1 Меры пожарной безопасности
• Заключение
• Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Широкое внедрение электронных средств во все сферы человеческой деятельности определило большой объем технических, эксплуатационных и экономических требований, как к самим электронным средствам, так и к составляющим их составным узлам и устройствам. Одним из таких устройств, входящих в состав всех электронных средств, является источник электропитания. Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить безаварийную работу электронного средства в течение всего периода его эксплуатации.

Важной задачей при разработке электронных средств является снижение массы и габаритных размеров источников электропитания. Это достигается выбором принципа их действия, схемы, режима работы, элементной базы, конструкции. Конструктивное исполнение источников питания определяет технологию его изготовления. Таким образом, при создании блоков питания перед разработчиком ставится ряд взаимосвязанных задач, решение которых зависит от знания им особенностей работы устройства, путей выбора рациональных схемного и конструктивных исполнений с заданными параметрами для заданных условий эксплуатации.

Данная работа является актуальной, так как компьютерный блок питания -- вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией. В его задачу входит преобразование сетевого напряжения до заданных значений, их стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения.

Целью данной дипломной работы является исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра блока питания ПК, разработка структурной и принципиальной схемы, изготовление макета.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи:

рассмотреть литературных данных по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Важна также грамотная организация охраны труда на предприятии, а именно: необходима служба охраны труда, необходимо проведение обучения работников, должны быть предусмотрены мероприятия пожарной безопасности, обеспечение работников соответствующими средствами индивидуальной защиты, а также проводить аттестацию рабочих мест.

В разделе охраны труда проведен анализ условий труда, рассмотрены вопросы производственной санитария и гигиена труда, защиты от шума и вибраций, требования к помещению и к рабочему месту для эксплуатаций и ремонта компьютерной техники, требования безопасности при наладке и ремонте компьютерной техники, меры пожарной безопасности, а также исследованы действия электрического тока на организм человека и причины возникновения пожаров в электронной аппаратуре и коротких замыканий

Дипломная работа состоит из двух частей. В технической части рассматривается исследование характеристик выпрямителя и сглаживающего фильтра в блоке питания ПК. В части диплома, связанной с охраной труда исследуются меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЯ И СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА В БЛОКЕ ПИТАНИЯ ПК

1.1 Аналитический обзор по теме

Наиболее важную часть средств вычислительной техники (СВТ) составляет источник питания, основное назначение которого -- снабжать напряжением с заданными параметрами и качеством все узлы и составные блоки устройства вычислительной техники. Качество его функционирования в значительной степени определяет работу СВТ.

За полувековую историю развития СВТ сменилось несколько поколений электронных вычислительных систем, кардинальным образом изменилась их технология и элементная база, их качественные характеристики, значительно расширилась сфера применения компьютерной техники. Эти факторы, естественно, привели к изменению и усложнению схемотехники блоков питания СВТ, что в свою очередь усложняет изучение устройств этого вида. Интересно, однако, что, несмотря на множество поколений, семейств, типов и конкретных реализаций источников питания СВТ, в основе большинства из них лежат общие принципы, сформулированные в начале прошлого века. Важность изучения этих принципов при подготовке специалистов в области компьютерных технологий обусловлена не только тем, что они до сих пор лежат в основе большинства современных источников питания. Их знание необходимо для успешного технического обслуживания и ремонта СВТ.

Классификация источников питания СВТ

В зависимости от характера преобразования энергии, в источнике питания выполняемого при получении на его выходе требуемого напряжения источники питания подразделяются на:

Первичные источники питания;

Вторичные источники питания.

В первичных источниках питания электрических видов энергии (химической электрическую энергию.

Примером первичных источников являются: Химические источники тока (ХИТ); Генераторы различных видов; Солнечные батареи; Термогенераторы; Топливные элементы и тд.

Во вторичных источниках питания (ВИП) осуществляется преобразование электрической энергии с одними характеристиками в электрическую энергию с другими характеристиками.

Вторичных источниках питания в зависимости от характера производимых преобразований электрической энергии свою очередь подразделяются на:

ВИП без преобразования частоты;

ВИП с преобразованием частоты.

Данная классификация источников питания представлена на рис.1.

Рис. 1 - Классификация источников питания

Структурные схемы ВИП их достоинства и недостатки

В настоящее время для построения вторичных источников питания (ВИП) СВТ используется две основные схемы. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки, и соответственно свою область применения.

ВИП без преобразования частоты

ВИП без преобразования частоты исторически появились раньше и широко использовались на начальном этапе развития СВТ, в настоящее время их применение ограничено.

Структурная схема ВИП без преобразования частоты представлена на рис. 2.

И содержит следующие основные элементы:

Сетевой трансформатор TV1 - во-первых, обеспечивает преобразование сетевого напряжения (~220В, 50Гц) до нужной величины, во-вторых, обеспечивает гальваническую развязку сети и оборудования СВТ, обеспечивая тем самым выполнение требований электробезопасности;

Выпрямитель - преобразует поступающее на вход переменное напряжение частотой 50Гц в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную так и постоянную составляющую;

Фильтр - обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

Стабилизатор - обеспечивает поддержание постоянного напряжения на выходе источника питания в заданных приделах при изменении уровня входного напряжения и величины тока нагрузки источника питания.

Рис. 2 Структурная схема ВИП без преобразования частоты

Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования частоты представлен на рис. 3.



Рис.3 Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования частоты

Достоинства схемы:

Схема содержит относительно мало элементов, имеет простую конструкцию и достаточно высокую надежность;

Так как элементы структурной схемы расположены линейно, схема имеет хорошую ремонтопригодность.

Недостатки схемы:

Схема имеет большие габаритные разметы, что является следствием больших размеров трансформатора TV1 и элементов фильтра, которые работают на низкой частоте (50Гц).

В настоящее время данный тип ВИП используется для создания источников питания только простейших элементов СВТ.

ВИП с преобразованием частоты

ВИП с преобразованием частоты в настоящее время широко используются для создания источников питания для различных типов СВТ.

Структурная схема ВИП с преобразованием частоты представлена на рис. 4. И содержит следующие основные элементы:

Сетевой выпрямитель - преобразует поступающее на вход переменное напряжение U=220В и частотой 50Гц в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную, так и постоянную составляющую;

Фильтр - обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

• Преобразователь напряжения состоящий из

¦ Конвертора - который осуществляет преобразование постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Конвертор содержит в своем составе:

* Инвертор - осуществляющий преобразование поступающего на

вход постоянного напряжения в переменное напряжение, как правело прямоугольной формы, высокой частоты (30-40кГц);

Трансформатор TV1 - во-первых, обеспечивает преобразование переменного напряжения высокой частоты до нужной величины, во-вторых, обеспечивает гальваническую;

* Схема имеет очень низкий КПД (~30-40%), что является следствием работы активных элементов стабилизатора (транзисторов) в активном режиме.

Выпрямитель - преобразует поступающее на вход переменное напряжение высокой частоты в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную, так и постоянную составляющую;

* Фильтр - обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.



Рис .4 Структурная схема ВИП с преобразованием частоты

Схема управления обеспечивает выработку импульсов управляющих работой конвертора.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью схемы управления, которая анализируя величину выходного напряжения, вырабатывает управляющие импульсы таким образом, чтобы выходное напряжение поддерживалась в заданных пределах.

Существует два основных алгоритма выработки управляющих импульсов:

Широтно-импульсное регулирование (ШИР) в данном случаи период следования управляющих импульсов остается постоянным (Tynр=const), а для регулирования напряжения изменяется длительность управляющих импульсов tупр=var);

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) в данном случаи длительность управляющих импульсов остается постоянной (tупр =const), а для регулирования напряжения изменяется период следования управляющих импульсов (Tупр=var).

Достоинства схемы:

Схема имеет не большие габаритные разметы, что является следствием работы трансформатора TV1 и элементов фильтра на выходе блока на достаточно высокой частоте (30-40кГц).

Схема имеет высокий КПД (~50-60%), что является следствием работы активных

элементов конвертора (транзисторов) в импульсном режиме.

Недостатки схемы:

Схема имеет достаточно сложную конструкцию и содержит много элементов;

Наличие интенсивных электрических помех, что является следствием работы активных элементов схемы в импульсном режиме

Жесткие требования к диапазону нагрузок (короткое замыкание и холостой ход не всегда допустимы);

Наличие повышенной пульсации выходного напряжения, что накладывает более жесткие требования к выходному фильтру.

В настоящее время данный тип ВИП является основным при создании источников СВТ.

1.1.1 ВЫПРЯМИТЕЛИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Основные схемы выпрямителей, методика их расчета

Выпрямителем, называется статический преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. В общем случае выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов и сглаживающего фильтра. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 12.

Рис. 5. Структурная схема выпрямителя

Трансформатор (не обязательный элемент), преобразует напряжение переменного тока на его первичной обмотке в необходимое для получения заданной величины напряжения на входе выпрямителя. Система вентилей (диоды) преобразует напряжение переменного тока в однонаправленное пульсирующее, имеющее в своем составе постоянную составляющую и значительное количество гармонических составляющих

(1)

Наибольшей из них является первая гармоника, частота и амплитуда которой определяется схемой выпрямления. Сглаживающий фильтр уменьшает амплитуды всех гармонических составляющих пульсирующего (выпрямленного) напряжения.

Функциональные схемы однофазных выпрямителей

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 7, а.

Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод Д и нагрузочный резистор Ян.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т. е. принимают следующие допущения:

у трансформатора активное сопротивление обмотки, а у диода прямое сопротивление равно нулю;

обратное сопротивление диода равно бесконечности;

в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния.

При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная э. д. с.



Рис. 6. Схема однополупериодного выпрямителя; осциллограммы в точках схемы

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рис. 7, б. В первый полупериод, т. е. в интервале времени 0 - Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б и под действием напряжения в вторичной обмотки трансформатора возникает ток 1н. В интервале времени Т/2 -- Т диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение U2.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя.

· большой коэффициент пульсаций,

· малые значения выпрямленных тока и напряжения.

· ток I2 имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость

· сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению к.п.д. всего выпрямителя. Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электроннолучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10--15 Вт.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис 7.). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода

а) б)

Рис. 7 а) - Схема мостового выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора, б) осциллограммы в точках схемы

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике.

Достоинствами выпрямителя являются:
	Высокая нагрузочная способность; Низкая пульсация выпрямленного напряжения.
Недостатками выпрямителя являются:
	Необходимость применения трансформатора со средней точкой; Повышенные требования к диодам по обратному напряжению.



а) б)

Рис. 8 - а) - Схема двухполупериодный мостовой выпрямитель, б) осциллограммы в точках схемы

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.8, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара -- это диоды D1 и D2, а другая -- D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 8, б). Основные расчетные соотношения выпрямителя следующие:

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя - это зависимость средневыпрямленного напряжения на выходе выпрямителя от изменения тока нагрузки. На рис. 9 представлена схема замещения выпрямительного устройства в цепи постоянного тока.

Рис. 9.- Схема замещения выпрямителя



Рис. 10.- Внешний вид нагрузочной характеристики выпрямителя. 1- однополупериодный, 2-двухполупериодный мостовой, 3- двухполупериодный с нулевой точкой

Здесь RBH - внутреннее сопротивление выпрямителя (активное сопротивление потерь), которое включает активные потери в трансформаторе RK3, потери в дросселе сглаживающего фильтра R и потери в диодах Rдш, Uпор). Очевидно, что внешняя характеристика имеет падающий характер. Всегда имеет место Uпор< U0хх при токе нагрузки отличном от нуля (рисунок18).

Выбор схемы выпрямителя

Определяется величиной мощности Р0, потребляемой нагрузкой. Un

Po=U0/Io (2)

где U0 и I0 -- выпрямленные напряжение и ток, требуемые для питания нагрузки.

При нескольких нагрузках, питающихся от одного источника U0, расчетное значение выпрямленного тока I0 находится из соотношения:

I0 =I 01 +I02 +… (3)

где I01 и I02--токи потребляемые, каскадами нагрузки.

Для получения небольших (десятки, сотни ватт) мощностей применяют однофазные схемы.

Для выпрямления токов мощностью Р0>1кВт служат более сложные трехфазные схемы, обеспечивающие равномерную нагрузку на трехфазную сеть и не требующие громоздких фильтров.

Выбранная схема выпрямителя должна обеспечивать требуемую пульсацию напряжения

При выборе схемы необходимо использовать и соображения экономичности и надежности.

1.1.2 СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ, НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ

Не зависимо от схемы выпрямителей, выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит, кроме постоянной составляющей и переменные составляющие.

В большинстве случаев питание схем промышленной электроники пульсирующим напряжением неприемлемо.

Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает допустимые пределы, на выходе выпрямителей включают специальное устройство - сглаживающие фильтры.

К сглаживающим фильтрам предъявляются следующие основные требования:

· с одной стороны, в фильтрах необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения, а с другой -- не допускать существенного уменьшения постоянной составляющей;

· при переходных процессах в фильтре во время включения и выключения напряжения сети или нагрузки броски напряжения и тока должны находиться в допустимых пределах;

· собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных его звеньях.

Классификация сглаживающих фильтров и их параметры

В зависимости от типа элементов, примененных для построения сглаживающих фильтров различают:

-пассивные фильтры - выполняются с использованием сопротивлений, конденсаторов, индуктивностей

· С-фильтры

· L- фильтры

· RC-фильтры

· LC - фильтры

-электронные (активные) фильтры - выполняются с использованием активных элементов - транзисторов

По количеству фильтрующих элементов различают: -однозвенные -многозвенные

Параметры сглаживающих фильтров

Основным параметром, позволяющим дать количественную оценку сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания S

S= о1/о2

где: о1-коэффициент пульсации на входе фильтра; о2-коэффициент пульсации на выходе фильтра

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под о1 понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под о2 -- коэффициент пульсаций после его подключения.

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации.

Если фильтр не обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания или для уменьшения габаритов для LC-фильтров (уменьшения габаритов индуктивности L) , фильтры соединяют последовательно.



Рис. 11. - Последовательное соединение фильтров

При последовательном соединении фильтров общий коэффициент сглаживания будет равен ( рис. 11):

(4)

Вывод Коэффициент сглаживания эквивалентного фильтра образованного из последовательно соединенных фильтров равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров.

Пассивные фильтры

Емкостные фильтры

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору RH.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 12 а).

Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 12, б.

В интервал времени t1 -- t2 конденсатор через открытый диод VД заряжается до амплитудного значения напряжения U2, так как в этот период напряжение U2>Uс. В это время ток Iд =Iс+Iн. В интервал времени t2 -- t3, когда напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе Uс, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе Iн, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе Rн снижается до некоторого значения, соответствующего времени t3, при котором напряжение U2 в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе Uс. После этого диод вновь открывается, конденсатор С начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени: ф = Rh * С.

Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1...t2). Чем короче отрезок, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1..t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя.

Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.



в) г)

Рис. 12 Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром

При постоянной времени фразр >10Т коэффициент пульсаций, определяемый по формуле:

(5)

где: foch -- частота основной гармоники,

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока Iн, что происходит при уменьшении сопротивления Rh постоянная времени тра3р уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения Uср, а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, максимальное значение тока диода Iд определяется лишь сопротивлениями диода Rпр, и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значений, больших Inрmax. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор.

Кроме того, следует учитывать, что напряжение Uобр.max- прикладываемое к диоду, в два раза превышает U2m (напряжение на вторичной обмотке), так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.

Индуктивные фильтры

Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн. Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров.

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами.

Рис. 13. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а), временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя c индуктивным фильтром (б)

В выпрямителях малой мощности использование индуктивного фильтра Lф нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагрузочные устройства.

Г-образные фильтры

Г-образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC-типа и RC-типа Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры, являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора Сф, так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе Lф. В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя.

Рис. 14. Г-образные фильтры. а- LC-типа, б) RC-типа

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, вместо дросселя Lф включают Rф что существенно уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе Хсф<Rф, на резисторе Rф создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе RH. Если выбрать значение Rф, из соотношения RH/(Rh+Rф) = 0,5-0,9, то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе Rф будет минимальным. В итоге доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе Rф значительно уменьшается. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RС-фильтра меньше, чем у LC-фильтра.

П-образные фильтры

П-образный фильтр относится к многозвенным фильтрам, так как состоит из емкостного фильтра (Сф1) и Г-образного LC-фильтра LфСФ2) или RС-фильтра RфСф2). Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров

фильтра равен (при соблюдении определенных условий) произведению коэффициентов составных звеньев (фильтров). Поэтому коэффициент сглаживания П-образного фильтра

оп=ос*ог

где ос,ог -- коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного фильтра.

Рис. 15. Схемы П-образных LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)

При сопротивлениях нагрузочного устройства в несколько килоом применяют П-образные СRС-фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) -- CLC- фильтры. Наибольший коэффициенте сглаживания П-образного достигается при условии СФ1,= СФ2. П-образные фильтры целесообразно применять, если коэффициент сглаживания должен быть равен 100--1000 и более.

Больше коэффициент сглаживания П-образного фильтра по сравнению с Г- образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпрямителя, как габариты масса и стоимость.

Транзисторные сглаживающие фильтры

По сравнению с пассивными транзисторные (активные) сглаживающие фильтры имеют ряд преимуществ:

· выше качественные и удельные показатели;

· малая зависимость коэффициента сглаживания от изменения нагрузки;

· широкополосность по частотному диапазону;

· малая вероятность возникновения опасных режимов при переходных процессах;

· отсутствие сильных магнитных полей; простота унификации.

Недостатки:

на транзисторах фильтра, работающем в активном режиме, рассеивается значительная мощность, поэтому к.п.д. транзисторных сглаживающих фильтров несколько меньше, чем пассивных фильтров.(Если на дросселе индуктивно-емкостного фильтра падает напряжение 1...2 В, то в транзисторном фильтре на регулирующем транзисторе - до 3...5 В.)

Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать в определённых режимах работы различные сопротивления для переменного и постоянного токов.

Характерны два способа построения фильтров.

Первый способ состоит в том, что транзистор включается по схеме с общим коллектором (ОК) (рисунок 29). Ток коллектора IК в схеме фильтра ОК мало зависит от величины приложенного к переходу коллектор-эмиттер напряжения Uk при постоянном значении тока базы.

На рис. 17 приведены графики зависимости IK=f(UK) при Ig=const (выходнаяхарактеристика).

Рис. 16. Схема транзисторного фильтра ОК

Рис. 17. - График зависимости тока коллектора от фильтра ОК напряжения на переходе коллектор- эмиттер при различных значения тока базы

Принцип его работы заключается в следующем. (Ток базы жестко зафиксирован и не изменяется (почти)переменным сигналом в отличии от обычного усилителя). На коллектор транзистора VT1 поступает напряжение с большой амплитудой пульсации, а цепь базы питается через интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе (следовательно напряжение на базе транзистора и ток базы зафиксирован). Сопротивление резистора R1 выбирают из условия достаточности тока базы для обеспечения заданного тока в нагрузке. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе. Так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.

Емкость конденсатора С1 может быть в несколько раз меньше, чем у конденсатора в LC-фнльтре, так как базовый ток намного меньше выходного тока фильтра (коллекторного тока транзистора) - примерно в h21 э ф) раз.

Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиление сигнала по мощности (эмиттерный повторитель). Резистор R задаёт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.

Другими словами, его достоинства аналогично достоинствам индуктивного фильтра и его включают в схему сглаживающего Г-образного фильтра или П- образного фильтра вместо дросселя. Но для этого Тб нужно поддерживать постоянным, то есть исключить его пульсации.

Преимущество этого фильтра - в простоте.

К недостаткам следует отнести, во-первых, противоречивые требования к значению сопротивления резистора R1 (для уменьшения пульсации на выходе фильтра следует увеличивать сопротивление (увеличивать trc цепи), а для повышения КПД фильтра - уменьшать (увеличивать ток базы, переводя транзистор в более открытое состояние)), во-вторых, сильная зависимость параметров фильтра от температуры, времени, значения тока нагрузки, статического коэффициента передачи тока базы транзистора. В таких фильтрах обычно резистор R1 подбирают опытным путем.

Коэффициент сглаживания фильтра определяется, как: S = 2nfmCR

Методы повышения эффективности транзисторных фильтров

Бурное развитие миниатюризации привело к стремлению уменьшить габариты фильтров с сохранением их параметров.

Увеличение коэффициента сглаживания возможно либо за счет увеличения величины емкости С, что ведет к увеличению габаритов или за счет увеличения величины сопротивления R, что также не приемлемо (уменьшается ток базы и как следствие ток коллектора и ток нагрузки).

Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой (ОБ), рис. 18. Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной R6, а сглаживающее действие - постоянной времени цепочки R1C1. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R1C1 >> Tn, где Tn- период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC-фильтрах. Принцип работы фильтра аналогичен работе фильтра по схеме с ОК.

Рис. 18.- Схема активного фильтра с общей базой

1.1.3 НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТАБИЛИЗАТОРОВ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока 1н, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237--69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от +5 до --15%.

Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т. д.

Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1--3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше.

Классификация стабилизаторов

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

· по роду стабилизируемой величины

· стабилизаторы напряжения

· стабилизаторы тока;

· по способу стабилизации

· параметрические стабилизаторы

· компенсационные стабилизаторы.

· -стабилизаторы непрерывного регулирования -стабилизаторы импульсного регулирования

При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющей пологи участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и т.п.

При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (ток) обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения (тока) источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Параметры стабилизаторов

Основным параметром, характеризующим качество работы все стабилизаторов, является коэффициент стабилизации.

Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора ивх и нагрузочный ток 1н

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению

(6)

где: ?UBx и ?UBыx -- приращения входного и выходного напряжений, а Uвх и Uвых -- номинальные значения входного и выходного напряжений.

1.1.4 БЛОКИ ПИТАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Схема импульсного блока питания ПК АТ форм фактора, особенности и основные параметры

Главное назначение источников питания ПК - 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 +12В. -5 и -12. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) -- +12 В.

Кроме питающих напряжений, блок вырабатывает сигнал Р.О. (Powеr Good) -- питание в норме. Этот сигнал с уровнем в 3-5В вырабатывается через 0,1-0,5 с после включения питания при нормальных выходных напряжениях блока. При отсутствии этого сигнала на системной плате непрерывно вырабатывается сигнал аппаратного сброса процессора, появление сигнала «выпускает» систему в нормальную работу. Этот сигнал должен сброситься раньше, чем пропадет напряжение +5В при отключении блока.

Характеристики БП

Источники конструктива АТ имеют следующие характеристики при средней мощности 230 Вт:

¦ Среднее время наработки на отказ {среднее время безотказной работы), или среднее время работы до первого отказа (параметр MTBF ((Mean Time Between Failures) либо MTTF (Mean Time To Failure)). Это расчетный средний интервал времени в часах, в течение которого ожидается, что источник питания будет функционировать корректно.

¦ Диапазон изменения входного напряжения (или рабочий диапазон), при котором может работать источник питания. Для напряжения 110 В диапазон изменения входного напряжения обычно составляют значения от 90 до 135 В; для входного напряжения 220 В -- от 180 до 270 В.

. Пиковый ток включения. Это самое большое значение тока, обеспечиваемое источником питания в момент его включения; выражается в амперах (А). Чем меньше ток, тем меньший тепловой удар испытывает система.

¦ . Время (в миллисекундах) удержания выходного напряжения в пределах точно

установленных диапазонов напряжений после отключения входного напряжения. Обычно 15-25 мс для современных блоков питания.

. Переходная характеристика. Количество времени (в микросекундах), которое требуется источнику питания, чтобы установить выходное напряжение в точно определенном диапазоне после резкого изменения тока на выходе. Другими словами, количество времени, требуемое для стабилизации уровней выходных напряжений после включения или выключения системы.

. Защита от перенапряжений. Это значения (для каждого вывода), при которых срабатывают схемы защиты и источник питания отключает подачу напряжения на конкретный вывод. Значения могут быть выражены в процентах (например, 120% для +3,3 и +5 В) или так же, как и напряжения (например, +4,6 В для вывода +3,3 В; 7,0 В для вывода +5 В).

. Максимальный ток нагрузки. Это самое большое значение тока (в амперах), который может быть подан на конкретный вывод (без нанесения ущерба системе). Этот параметр указывает конкретное значение силы тока для каждого выходного напряжения. По этим данным вычисляется не только общая мощность, которую может выдать блок питания, но и количество устройств, которые можно подключить к нему.

. Минимальный ток нагрузки. Самое меньшее значение тока (в амперах), который может быть подан на конкретный вывод (без нанесения ущерба системе). Если ток, потребляемый устройствами на конкретном выводе, меньше указанного значения, то источник питания может быть поврежден или может автоматически отключиться.

¦ . Стабилизация по нагрузке (или стабилизация напряжения по нагрузке). Когда ток на конкретном выводе увеличивается или уменьшается, слегка изменяется и напряжение. Стабилизация по нагрузке -- изменение напряжения для конкретного вывода при перепадах от минимального до максимального тока нагрузки (и наоборот). Значения выражаются в процентах, причем обычно они находятся в пределах от ±1 до ±5% для выводов +3,3, +5 и +12 В.

. Стабилизация линейного напряжения. Это характеристика, описывающая изменение выходного напряжения в зависимости от изменения входного напряжения (от самого низкого до самого высокого значения). Источник питания должен корректно работать при любом переменном напряжении в диапазоне изменения входного напряжения, причем на выходе оно может изменяться на 1% или меньше. .

Эффективность (КПД). Отношение мощности, подводимой к блоку питания, к выходной мощности; выражается в процентах. Для современных источников питания значение эффективности обычно равно 65-85%. Оставшиеся 15-35% подводимой мощности преобразуются в тепло в процессе превращения переменного тока в постоянный.. .

Пульсация (Ripple) (или пульсация и шум (Ripple and Noise), или пульсация напряжения (AC Ripple), или PARD (Periodic and Random Deviation -- периодическая и случайная девиация), или шум, уровень шума).

Среднее значение пиковых (максимальных) отклонений напряжения на выводах источника питания; измеряется в милливольтах (среднеквадратичное значение). Эти колебания напряжения могут быть вызваны переходными процессами внутри источника питания, колебаниями частоты подводимого напряжения и другими случайными помехами.

Устройство и работа

БП имеет следующую структурную схему: Структурная схема источника (рисунок 51) состоит из двух функциональных узлов:

сетевого выпрямителя (СВ); преобразователя напряжения (ПН).

Преобразователь напряжения (ПН) включает в себя:

конвертор (К);

устройство управления (УУ).

Конвертор (К) состоит из:

инвертора (И), преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы;



Рис. 19. Структурная схема БП конструктива АТ СВ-сетевой выпрямитель; ПН - преобразователь напряжения; К-конвертор: И- регулируемый инвертор; УИ - усилители импульсов базового тока силовых ключей инвертора; ВФ - выпрямитель и сглаживающий фильтр; ВВ - вспомогательный выпрямитель. УУ - устройство управления; СС - схема сравнения; М - модулятор силового трансформатораТР1, работающего ни повышенной частоте (~60 кГц) и обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой; выпрямителя и высокочастотного LC фильтра (ВФ).

Устройство управления(УУ) выполняет следующие функции:

обеспечивает мощные транзисторы инвертора импульсами возбуждения изменяемой длительности, реализуя, принцип широтно-импульсного регулирования и стабилизации выходного напряжения (ТТТИР) Uh.

выполняет функции плавного включения и аварийного отключения блока питания.

задержку включения ЦП на время необходимого для окончания переходных процессов в БП путем выдачи сигнала «Напряжение в норме» (Power Good) Согласование маломощных выходных сигналов логических элементов УУ с

входами силовых транзисторов выполняется усилителями импульсов (УИ) через трансформатор УТ2, который обеспечивает гальваническую развязку.

В качестве схемы управления УУ используется многофункциональная ИМС типа TL494, предназначенная для управления импульсными источниками вторичною электропитания различного вида [З].

После запуска инвертора устройство управления получает питание от вспомогательного выпрямителя (ВВ).

Сетевой выпрямитель СВ выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульсации; обеспечивает режим плавной зарядки конденсаторов фильтра путем последовательного включения терморезистора TH1 ограничивающего пусковой ток заряда конденсаторов до допустимого значения при включении источника; обеспечивает бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных (до 300 мсек) провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшает уровень помех за счет применения помехоподавляющих фильтров

На выходы СВ формируется постоянное напряжение, которое может составлять 264-340 В для однофазной сети ~220 В с учетом допуска -15%...+10%.

Силовая часть регулируемого инвертора выполнена по полумостовой схеме на транзисторных ключах.Поддержание выходного напряжения на заданном уровне осуществляется следующим образом - часть выходного напряжения (как правело +5В) поступает на вход схемы управления, туда же поступает и часть опорного напряжения. Расположенная в схеме управления схема разности вырабатывает сигнал ошибки , амплитуда которого пропорционально величине отклонения выходного напряжения от величины опорного напряжения, а знак определяет направление отклонения (больше или меньше). С помощью компаратора сигнала ошибки сигнал ошибки преобразуется в импульсное напряжение длительность которого пропорциональна величине сигнала ошибки (ШИР). Данные импульсы и управляют работой инвертора.

Рис. 20. Схема источника питания АТ-форм фактора

Особенности импульсного блока питания АТХ форм фактора

В последнее время широкое развитие получили источники питания типа АТХ.

Блоки питания для IBM совместимых компьютеров выпускаются в корпусах, унифицированных по габаритным и посадочным размерам. Все узлы блока питания расположены в металлическом корпусе, который служит для механической защиты элементов блока питания и электромагнитной экранировки. Металлический корпус состоит из двух деталей: основания и съемной крышки. И крышка, и основание имеют П-образную форму, у каждой есть по две боковые стенки. В конструкции основания предусмотрены резьбовые отверстия под винты-саморезы. Крышка соединяется с основанием четырьмя саморезами. На основании винтами укрепляются все узлы блока питания. Электронные компоненты блока питания располагаются на единой односторонней печатной плате, закрепленной винтами на донной части основания. Между платой и дном основания располагается изолирующая прокладка из синтетического материала. На одной из боковых стенок основания закреплены: вентилятор, сетевая вилка типа IEC320 с тремя ножевыми контактами и аналогичная по конструкции розетка. Подключение сетевого напряжения к блоку производится стандартным шнуром через вилку с тремя ножевыми контактами. Розетка, установленная на корпусе, является транзитным разъемом для подключения к ней шнура питания монитора или иного устройства. На эту розетку подается напряжение сети непосредственно от корпусной вилки. Разводка питания на вилке и розетке осуществляется на одноименные крайние контакты. Средние (третьи) выводы каждого из этих приборных частей разъемов соединены между собой. К средним контактам подпаян проводник с металлическим лепестком на конце. Лепесток механически соединяется с винтом, закрепленным на донной части основания. Таким образом, выполняется подключение корпуса блока питания к контуру заземления через стандартный шнур питания. Рядом с разъемами на той же боковой стенке установлен вентилятор, который используется для охлаждения элементов блока питания. Для прохождения направленного воздушного потока перед вентилятором в корпусе сделаны отверстия (круглые или в виде закругленных прорезей). Воздушный поток движется из внутренней полости корпуса источника наружу. Такое направление движения воздуха снижает уровень пылевого загрязнения, как блока питания, так и вычислительного средства, в котором он установлен.

На этой же стенке установлен переключатель (селектор входного напряжения), которым осуществляется выбор напряжения питающей сети 115 или 220 В. В модификациях источников питания, имеющих узел автоматического определения напряжения питающей сети, такой переключатель не устанавливается.

На второй боковой стенке основания имеются отверстия в виде продольных жалюзей для вентиляции и два эллиптических отверстия, через которые из блока питания выводятся кабели вторичных напряжений. Для дополнительной электроизоляции кабели вторичного питания выходят из блока питания через пластиковое кольцо. Это кольцо плотно зажимается стенками корпуса при сборке крышки и основания.

На концах кабелей вторичных напряжений монтируются розетки разъемных соединителей трех типов. Все розетки имеют собственный «ключ» для правильного соединения с ответной частью. Проводники для каждого номинала напряжения и логического сигнала снабжены индивидуальной цветовой маркировкой. Хотя к цветовой гамме проводников нет твердых требований, однако большинство производителей придерживается некоторой унификации.

Один 20-контактный разъем предназначен для подключения к системной плате персонального компьютера. Тип такого разъемного соединителя - MOLEX 39-01-2200 или аналогичный. Разводка разъема стандартизована. В табл. 2.2 приведена разводка вторичных напряжений и служебных сигналов по контактам этого разъема

Табл. 1. Разводка Системного Разъема Питания Компьютера

С помощью четырехконтактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным AMP 1-480424-0 либо MOLEX 8981-04Р. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах этих разъемов следующие: 1 - желтый, +12 В; 2,3 - черные, общий; 4 - красный, +5 В.