Методика диагностирования и ремонта источника питания системных блоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Дипломная работа

Методика диагностирования и ремонта источника питания системных блоков

Содержание

Введение

1. Общий раздел

1.1 Микропроцессорная система, ее назначение, схема электрическая структурная (функциональная), взаимодействие составляющих ее устройств

1.2 Устройство микропроцессорной системы, его назначение, схема электрическая структурная (функциональная), взаимодействие составляющих его узлов

1.3 Схемотехнический анализ устройства микропроцессорной системы, электрические и эксплуатационные параметры электрических компонентов, образующих элементную базу

2. Конструкторский раздел

2.1 Методика диагностирования устройства

2.1.1 Типовые неисправности устройства и их возможные причины

2.1.2 Варианты устранения неисправностей

2.1.3 Методика диагностирования

2.2 Диагностирование устройства

2.2.1 Диагностирование устройства аппаратным методом

2.2.2 Диагностирование устройства программным методом

2.3 Расчёт на надёжность устройства

3. Технологический раздел

3.1 Требования техники безопасности при техническом обслуживании микропроцессорных систем

3.2 Требования экологии при техническом обслуживании микропроцессорных систем

4. Экономический раздел

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованной литературы

Введение

Источник питания -- радиоэлектронное устройство, предназначенное для обеспечения различных устройств электрическим питанием.

Источники питания выполняют очень уникальную роль внутри типовых систем. Во многих аспектах источник питания является «матерью» всей системы. Он дает системе жизнь, обеспечивая устойчивым и непрерывным питанием ее схемы. В случае внутреннего сбоя источник должен сбить «элегантно», не позволяя этому сбою достичь системы.

Система питания в конструкторской программе разрабатывается в последнею очередь, и для этого есть две основные причины. Во-первых, никто не хочет этим заниматься, поскольку каждый желает разрабатывать более «захватывающие» схемы, и, к тому же, редко какой инженер имеет действительно основательные познания в системах питания. Во-вторых, стендовые источники обеспечивают все необходимое питание на стадии отладки системы и поэтому забывают разработать, когда изделие выходит на стадию интегрирование.

Различают первичные и вторичные источники питания. К первичным относят преобразователи различных видов энергии в электрическую, примером может служить аккумулятор, преобразующий химическую энергию. Вторичные источники сами не генерируют электроэнергию, а служат лишь для её преобразования с целью обеспечения требуемых параметров (напряжения, тока, пульсаций напряжения и т. п.)

Целью структуры системы питания является эффективное распределение питания между всеми секциями готового изделия и притом так, чтобы удовлетворить потребности каждой внутренней подсекции. Для этого внутри изделия может быть использовано более одной структуры систем питания.

Для изделий, состоящих из одного неразделимого на протяжении эксплуатации функционального «модуля» (например, сотовый телефон, монитор с электронно-лучевой трубкой и т.п), традиционной организацией является интегрированная система питания. Такие изделия имеют один главный источник питания, который полностью автономен и напрямую питает схемы. Интегрированная система питания может, фактически, содержать более одного источника питания или последовательность запросов на питание, которые не могут быть удовлетворены с помощью одного главного источника питания без опасности нарушить его нормальную работу.

Для продуктов, имеющих множество разнообразных модулей, которые в течение эксплуатации продукта могут быть реконфигурированы (сняты, заменены и т.п), такие как каркасные системы для съемных печатных плат и наземные станции мобильной связи и т.п, более подходящей оказывается распределенная система питания. Системы такого типа обычно имеют один главный источник питания, который обеспечивает питание шины, распределенной между различными компонентами продукта. Питание, необходимое для каждого модуля внутри изделия, обеспечивают меньшие стабилизаторы, размещенные на уровне платы,- встроенные стабилизаторы. Таким образом, перепады напряжения, имеющие место в разъемах и проводке внутри системы, схемах беспокойства не доставляют.

По сути, интегрированная система питания более эффективна, поскольку имеет меньшие потери. Распределенная система состоит из двух или более источников питания, и ее общий КПД является произвольным КПД каждого из входящих в нее источников. Так, например, два источника питания с КПД 80% каждый дают общий КПД системы питания 64%.

Типичная система питания обычно является комбинацией двух систем, в которой могут использоваться импульсные и линейные источники питания.

электрическая схема блок питания

1. Общий раздел

1.1 Микропроцессорная система, ее назначение, схема электрическая структурная (функциональная), взаимодействие составляющих ее устройств

Персональный компьютер (ПК; англ. personal computer) -- компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем, т. е. для личного использования. К ПК условно можно также отнести и любой личный компьютер (даже суперкомпьютер) любого конкретного человека и используемый данным человека в качестве своего личного компьютера. Естественно цена, габариты и возможности такого компьютера должны удовлетворять запросам пользователя. Например, подавляющее большинство людей используют настольные и различные переносные ПК. Также созданный как вычислительная машина, компьютер, также, всё чаще используется как средство доступа в информационные сети и как платформа для компьютерных игр.

В употребление термин был введён в конце 1970-х годов компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесён на компьютеры IBM PC. Некоторое время персональным компьютером называли любую машину, использующую процессоры Intel и работающую под управлением операционных систем DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. С появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких, как AMD, Cyrix (ныне VIA), название стало иметь более широкую трактовку. Курьёзным фактом стало противопоставление «персональным компьютерам» вычислительных машин Amiga и Macintosh, долгое время использовавших альтернативную компьютерную архитектуру.

Чаще всего под ПК понимают настольные ПК, ноутбуки, планшетные и карманные ПК. Однако на самом деле ПК может считаться любой полноценный компьютер -- даже суперкомпьютер -- используемый в качестве персонального, т. е. личного, компьютера. А вот тонкий клиент ПК, да и компьютером вообще, считаться не может, так как его функции в сравнении с обычным компьютером довольно сильно заужены. Например, довольно часто тонкий клиент применяется в качество базы для построения единичного терминала в современных многопользовательских рабочих станциях.

Обычно персональный компьютер состоит из трех частей:

ь системного блока;

ь клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

ь монитора (или дисплея) - для изображения текстовой или графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (как дипломат) или блокнотном (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок "спрятан" под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

ь электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессоры, оперативная память, контроллеры устройств);

ь блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

ь накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

ь накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенные для чтения и записи на несъемные жесткие магнитные диски (винчестер).

Микропроцессор - важнейший элемент компьютера, так как им определяется скорость выполнения машиной программ пользователя. Со времени появления персональных компьютеров (ПК) сменилось несколько поколений процессоров, что составляет следующий ряд в порядке увеличения скорости: 8088, 286, 386SX, 386DX, 486SX, 486DX, 486DX2, Pentium, Pentium Pro и другие.

Микропроцессор включает в себя:

ь арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет операции (микрооперации), необходимые для выполнения команд микропроцессора;

ь устройство управления (УУ) - управляет всеми частями компьютера посредством принципов программного управления;

ь микропроцессорная память (МПП). В микропроцессоре есть несколько ячеек собственной памяти, они называются регистрами. Некоторые из них предназначены для хранения операндов - величин, участвующих в текущей операции. Такие регистры называются регистрами общего назначения (RON). Регистр команд (RK) предназначен для хранения текущей команды. В регистре - счетчике команд (СК) хранится текущий адрес. Перед выполнением программы необходимо задать ее начальный адрес - записать его в счетчик команд.

Через интерфейсную систему, основу которой составляет системная шина персонального компьютера, микропроцессор соединяется с:

а) Основной памятью компьютера:

- оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и данные;

- постоянное запоминающее устройство (ROM) - хранит информацию, которая необходима для постоянной работы.

RAM и ROM разбиты на ячейки, каждой из которых присвоен порядковый номер (адрес).

б) Внешней памятью:

- накопители на жестких магнитных дисках - устройства с несъемными носителями (винчестеры). Жесткие диски служат для постоянного хранения в компьютере программ и данных.

Выполнение многих современных прикладных программ без них невозможно. Большинство жестких дисков, в отличие от имеющих меньшую емкость дискет, нельзя снять, поэтому их иногда называют несъемными дисками. Можно, однако приобрести и съемные жесткие диски. Они ценны, когда нужно сохранять конфиденциальность информации и как средство переноса больших объемов данных между компьютерами. Емкость современных накопителей на жестких магнитных дисках может достигать нескольких Гбайт.

Более популярны становятся накопители на оптических дисках благодаря большой емкости и надежности.

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски обычно называют компакт-дисками ПЗУ - Compact disc (CD) ROM. Они имеют емкость до 1,5Гбайт, время доступа - от 30 до 300мс.

- накопители на гибких магнитных дисках. Для данных накопителей носителями являются дискеты (флоппи-диски).

в) С монитором через видеоадаптер.

г) С принтером через адаптер принтера.

д) С источником питания.

ж) С каналом связи через сетевой адаптер.

Сетевой адаптер дает возможность подключить компьютер в локальную сеть. При этом пользователь может получать доступ к данным, находящимся на других компьютерах.

з) С таймером (таймер - внутренние электронные часы, которые подключены к автономному источнику питания (аккумулятору), продолжающий работать даже после отключения машины от питающей сети).

и) Микропроцессор через интерфейс связан с клавиатурой, а также имеет генератор тактовых импульсов, который генерирует последовательность электрических импульсов, а частота этих импульсов определяет тактовую частоту машины (ее быстродействие).

к) С математическим сопроцессором.

Обычно универсальные микропроцессоры относительно медленно выполняют арифметические операции над числами с плавающей запятой. Это объясняется тем, что они работают с целыми числами, и при использовании чисел, представленных в другой форме, им требуются дополнительные команды преобразования.

Для ускорения выполнения арифметических операций часто используется отдельный процессор, называемый математическим сопроцессором. Он выполняет арифметические операции над числами с плавающей запятой самостоятельно, без дополнительных программных средств. Благодаря этому в несколько раз возрастает скорость вычислительного процесса.

Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.

Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения данных.

Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты.

Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) - это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Рис 1.1 Структурная схема ПК

Компоненты микропроцессора:

ь АЛУ выполняет логические и арифметические операции

ь Устройство управления управляет всеми устройствами ПК

ь Регистры используются для хранения данных и адресов

ь Схема управления шиной и портами - осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода - вывода, а также управляет шиной адреса и управления.

Основные характеристики процессора:

ь Разрядность - число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров - это 32 - разрядные процессоры, но выпускаются и 64 - разрядные процессоры.

ь Тактовая частота - количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.

ь Наличие встроенного математического сопроцессора.

ь Наличие и размер Кэш- памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.

Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.

Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ - это емкость и время обращения к памяти. ОЗУ типа DDR SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи данных) считается наиболее перспективной для ПК.

Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш-памятью или сверхоперативной памятью.

При наличии Кэш-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются в нее, а затем в регистры процессора. При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэш-памяти и необходимые данные из Кэш-памяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие.

Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.

В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.).

Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод-вывод) между оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате.

Системная магистраль (шина) - это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.

Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Слоты PCI - E Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера.

Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс - это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.

Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты устанавливаются на задней стенке системного блока.
Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств, относятся:

ь Видеоадаптеры (видеокарты)

ь Звуковые платы

ь Внутренние модемы

ь Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети)

ь SCSI - адаптеры

Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители - это устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают накопители со сменным и встроенным носителем.

По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных лентах и дисковые накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс накопителей составляют дисковые накопители.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются на магнитные, оптические и магнитооптические.

К дисковым накопителям относятся:

ь накопители на флоппи-дисках;

ь накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

ь накопители на сменных жестких дисках;

ь накопители на магнитооптических дисках;

ь накопители на оптических дисках (CD-R CD-RW CD-ROM) с однократной записью и накопители на оптических DVD - дисках (DVD-R DVD-RW DVD-ROM и др.)

Периферийные устройства - это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК и расширяют его функциональные возможности. По назначению дополнительные устройства разделяются на:
устройства ввода (трэкболлы, джойстики, световые перья, сканеры, цифровые камеры, диджитайзеры) устройства вывода (плоттеры или графопостроители) устройства хранения (стримеры, zip - накопители, магнитооптические накопители, накопители HiFD и др.) устройства обмена (модемы).

1.2 Устройство микропроцессорной системы, его назначение, схема электрическая структурная (функциональная), взаимодействие составляющих его узлов

Наиболее важную роль часть системного блока IBM PC AT/ATX составляет источник питания, основное назначение которого- снабжать питанием все жизненно необходимые узлы и составные блоки системного модуля: процессор, память, винчестер, дисководы. Качество его функционирования в значительной степени определяет работу компьютера

Незаметная пользователю персонального компьютера работа источника именно в нашей сети, характеризующейся абсолютным пренебрежением к соблюдению элементарных норм и требований техники электробезопастности, а также превышением ее эксплуатационных возможностей, проявляется благодаря возможностям стабилизации выходных напряжений источника питания в системном блоке.

Не вникая в геометрические тонкости корпусов и построений персональных компьютеров (PC- Personal Computer) можно сказать, что все источники, равно как и компьютеры, можно разделить на следующие типы:

ь PC/XT (eXTended)

ь PC/AT (Advanced Technology)

ь PC/ATX (AT eXtensions)

Конструктивно источники питания компьютеров всех типов выполнены в металлическом корпусе, к его основанию прикручена управляющая плата, на задней стенке установлен вентилятор, блок сверху закрыт крышкой. Выходные разъемы объединены в жгут, который специальным обжимом жестко укреплен в корпусе. Существуют следующие стандарты исполнения источников питания:

ь PC/XT

ь AT/Desktop

ь AT/Tower

ь Baby AT

ь Slimline

ь ATX

Структурная схема импульсного блока питания для компьютеров типа АТ/ХТ, содержащая типовой набор функциональных узлов, представлена на рис.1.2.

Рис 1.2 Структурная схема импульсного источника питания

Модификации блоков питания могут иметь различия только в схемотехнической реализации узлов с сохранением их функционального назначения.

На структурной схеме указано наименование узлов совместно с позиционным обозначением основных элементов, на которых выполнен данный каскад или узел. Позиционное обозначение соответствует принципиальной схеме базовой модели импульсного блока питания. Логические связи на структурной схеме показаны стрелками, которые указывают направление передачи сигналов, воздействий или подачу напряжений питания.

Блок питания, соответствующий данной структурной схеме, выполнен по схеме ВЧ преобразователя с внешним возбуждением.

Первым каскадом, на который поступает первичное переменное напряжение, является помехоподавляющий индуктивно- емкостной сетевой фильтр НЧ. Он установлен для ограничения влияния помех, проникающих через входные цепи из питающей сети, на работу ВЧ преобразователя. Появление помех в сети может отразиться на выходных характеристиках вторичных постоянных напряжений, вырабатываемых блоком питания. Если бы выходной НЧ фильтр отсутствовал, то все помехи, возникающие в сети, трансформировались бы во вторичные цепи. Природа их различна, поэтому по каналам вторичных напряжений пришлось бы устанавливать дополнительные элементы, исключающие воздействие помех на электронные нагрузки.

Высокочастотный преобразователь является усилителем сигналов, которые вырабатываются схемой управления. Мощные броски тока, возникающие в моменты коммутации силовых сигналов УМ, вызывают появление помеховых сигналов в первичной цепи ПН. Входной сетевой фильтр препятствуют распространению этих помех через питающую сеть, ограничивая или полностью подавляя их.

Выход сетевого фильтра подключен к выпрямителю, который сначала преобразует переменное напряжение в униполярное, пульсирующее и затем сглаживает его. Сглаживание выпрямленного напряжения происходит электролитическими конденсаторами, также входящими в состав выпрямителя. Схемотехника блоков питания предусматривает их использование в регионах, отличающихся стандартизированными уровнями напряжения первичной сети. Для возможности работы блока питания при разных уровнях питающего напряжения в блок введен специальный переключатель- селектор входного напряжения SW. Коммутацией переключателя производится модификацией цепей сетевого выпрямителя и элементов сглаживающего фильтра. Смысл реконфигурации входных цепей заключается в том, чтобы обеспечить постоянный уровень напряжения на силовом каскаде преобразователя при изменении уровня напряжения питания с 220 на 115 В и обратно. При этом не происходит переключение обмоток трансформаторов, для корректировки коэффициента трансформации, и все остальные цепи блока питания не изменяются.

Рассматриваемый блок питания не имеет каскада автогенератора, способного обеспечивать отдельные вторичные цепи постоянной подпиткой электрической энергией. Поэтому в состав полумостового усилителя мощности входит схема автозапуска, осуществляющая первоначальную подачу импульсов управления для запуска усилителя мощности. Особая конструкция трансформаторных цепей и полумостового усилителя создает условия для кратковременной подачи питания на узел управления после подключения блока питания к первичной сети. Временного интервала начального запуска оказывается достаточно для установки режима стабильной генерации импульсных последователей, возбуждающих силовой каскад, на выходе узла управления. Узел управления формирует последовательности особой формы, усиление которых приводит к появлению трехуровневого сигнала на обмотках силового импульсного трансформатора, включенного в диагональ полумостового усилителя мощности. Вторичные низковольтные обмотки силового импульсного трансформатора нагружены на диоды SBD1, SBD2, D19- D22 блока выпрямителей. Для выпрямления импульсных сигналов применяются специальные дискретные диодв и матрицы диодов с малым временем восстановления обратного сопротивления. Выпрямители самых мощных каналов, то есть для вторичных напряжений +5 и +12 В, выполнены на матрицах, в состав которых входит по два диода. Для остальных каналов использованы дискретные элементы- диоды D19- D22. для ускоренного рассасывания избыточных зарядов в диодных структурах после изменения полярности импульсного входного сигнала параллельно выпрямительным элементам подключаются ускоряющие резистивно- емкостные цепи. Сглаживание и фильтрация импульсных сигналов производиться на однозвенных LC каскадах блока фильтров.

В режиме устойчивой коммутации силовых транзисторов уровень энергетической мощности, поступающей во вторичные цепи, зависит от степени нагруженности каналов постоянных напряжений. Стабилизация значений вторичных напряжений выполняется системой автоматического регулирования. Датчики контроля уровня энергии, поступающей во вторичные цепи, входят в состав узла защиты и блокировки. Они подключены к выходной цепи канала +5 В. Сигнал обратной связи, вырабатываемый узлом защиты и блокировки, подается в узел управления блоком питания. Основным элементов узла управления является формирователь ШИМ сигнала на микросхеме IC1. Внутренний источник микросхемы IC1 вырабатывает стабилизированное напряжение, используемое измерительными каскадами в качестве опорного. В рассматриваемом блоке питания применен принцип групповой регулировки выходных напряжений. Регулировка значений вторичных напряжений +12, -5 и -12 В производится косвенно по оценке состояния напряжения в канале +5 В. В связи с этим для устройства работы блока питания и поддержания значений вторичных напряжений в заданных пределах необходимо соблюдать баланс нагрузок по выходным каналам. Самая большая токовая нагрузка должна быть всегда у канала +5 В. Регулировка выполняется после сравнения этого напряжения с уровнем опорного напряжения. Формирователь ШИМ сигнала вырабатывает импульсные последовательности, частота которых поддерживается постоянной, а длительность импульсов управления варьируется в зависимости от состояния вторичных каналов. Если выходное напряжение падает ниже уровня опорного, то узел управления формирует сигнал воздействия на схемы усилителей как промежуточного, так и силового каскада на транзисторах Q5 и Q6 для увеличения уровня энергии, подаваемой во вторичные цепи. Реакция элементов управления на повышение вторичного напряжения обратная. Превышение выходным напряжением величины опорного напряжения посредством уменьшения длительности управляющих импульсов приводит к ограничению энергии, подаваемой на нагрузку.

В процессе эксплуатации блока питания могут возникать нештатные ситуации, в результате которых выходы каналов вторичных напряжений окажутся в состоянии перезагрузки или КЗ. Организация системы защиты построена на различном подходе к оценке последствий воздействия КЗ на цепи основных и вспомогательных каналов вторичных напряжений. Для активизации защитного механизма блокировки по каналам отрицательных вторичных напряжений используются диодно- резистивные датчики узла защиты и блокировки. Слежение за перезагрузкой по основным каналам осуществляется с помощью отдельного каскада, построенного на специальном импульсном трансформаторе. Датчик на импульсном трансформаторе имеет большую инерционность, чем датчик фиксации КЗ отрицательных каналов. Это объясняется увеличением времени, требуемого для правильной оценке процесса, который развивается в этом или обоих основных вторичных каналах. Принцип действия всех элементов защиты одинаков и направлен на прекращение работы узла управления, а также на блокировку активных элементов силового каскада преобразователя. Выпрямленное напряжение первичной сети продолжает поступать для питания силового каскада, но коммутация транзисторов прекращается, предотвращает их от повреждения нарастающим током. Процесс инициализации схем материнской платы компьютера начинается не после подачи питающего напряжения, а при получении внешнего сигнала высокого логического уровня «питание в норме». Это единственный служебный сигнал, который подается от блока питания внешним устройствам. Появление высокого уровня на сигнальном выходе «питание в норме» происходит с задержкой относительно выхода вторичных напряжений на номинальные уровни. Временной интервал задержки жестко не регламентирован, находится в диапазоне от 100 до 500 мс и устанавливается в схеме резистивно- емкостными элементами.

Схему условно можно разделить на две части: силовую и контрольную. Силовая часть делится на входную высоковольтную часть и выходную низковольную. Контрольную же можно разделить на систему регулирования и систему защиты.

Входное напряжение через предохранитель FU1поступает на фильтр помех. Ничего особого в элементах C1, T1, C2 нет, но вот С3 и С4 требуют отдельного упоминания ввиду того, что получающийся из них делитель создаёт на корпусе компьютера переменное напряжение 110V. Это напряжение можно во всех прелестях ощутить, если взяться одной рукой за корпус незаземлённого компьютера (просто за корпус), другой за батарею. В-общем, обязательно заземляйте компьютер! Кстати, их иногда выпаивают (ну неужели лень заземлить?). Отсутствие этих конденсаторов приводит к попаданию высокочастотных наводок в сеть 220 вольт и соответствующим эффектам на соседних телевизорах.

Далее напряжение сети поступает на выпрямитель RT1VDM1C5C8R3R4 . Поскольку диоды выпрямителя заряжают силовые высоковольтные конденсаторы C5C8 , они работают преимущественно в импульсном режиме и должны пропускать большой ток (10A). Более того, в момент запуска блока питания по диодам проходит ударный ток - всё напряжение сети попадает на незаряженные конденсаторы, т.е. 220V в течение нескольких полупериодов попросту шунтируется на землю. Некоторой защитой от этого служит терморезистор RT1 , который в холодном состоянии имеет повышенное сопротивление (десятки ом); при включении блока питания он ограничивает ток и вместе с тем мгновенно раскаляется, и его сопротивление падает. Слишком частые включения блока питания этому терморезистору идут не на пользу, и он иногда выходит из строя.

Выпрямленное напряжение (примерно 300V) поступает на полумостовой инвертор VT1VT2C7T3 . Инвертор собран по схеме с самовозбуждением, для чего здесь имеется ПОС от "средней точки" через T2 - там есть специальный отвод. Хитроумные цепи в базах силовых транзисторов VD2R10C2R11R12R13 накапливают положительные +0.7V для открытия этих самих транзисторов. Однако параметры этих цепей подобраны таким образом, что инвертор без внешнего управления способен вырабатывать нестабильные и укороченные импульсы, которые при выпрямлении всегда дают половинные напряжения (2-3V вместо 5V, 6-8V вместо 12V). Это сделано специально, чтобы неуправляемый блок питания не смог спалить электронные схемы компьютера. Работающий в неуправляемом режиме инвертор может запитать только контрольную часть блока питания, а схемы компьютера сигналом PowerGood выведены в состояние глубокого сброса.

Трансформированные с помощью T3 импульсы из высоковольтных в высокоамперные поступают на выходной выпрямитель. В цепях +5V/+12V применены высокоамперные переключающие диоды VDM2VDM3 с пониженным напряжением включения, например диоды Шоттки. Для улучшения характеристик у каждого выпрямителя выравнен коэффициент мощности с помощью цепочек R51C19 , R14C13 , R15C14 .

На выходе выпрямителя получаются импульсные напряжения амплитудой примерно в 2 раза выше номинальной, т.е., например на выходе диода в цепи +12V мы можем увидеть +24V. Но ничего страшного здесь нет, ведь импульсы прямоугольные, а впереди - сглаживающий фильтр. Поскольку частота работы инвертора составляет десятки килогерц, то и сглаживающий фильтр получается простым, маленьким и вместе с этим очень эффективным. Резисторы R52R53R39R40 на первый взгляд совершенно не нужные - будучи параллельно включенными, они только рассеивают мощность. Они нужны только тогда, когда блок питания включается без нагрузки. Как известно, у всех импульсников общая болезнь - недопустимое и неуправляемое повышение выходного напряжения при отсутствии нагрузки вследствие полной зарядки конденсаторов фильтра (например 7V вместо 5V). Вот здесь на помощь и приходят резисторы, создающие ту самую минимальную нагрузку.

От выхода +12V через R38 получает питание вентилятор. Необходимость в R38 вызвана тем, что иногда вентилятор может выйти из строя и закоротить свои питающие выводы. Теперь спускаемся по схеме вниз от силовой к контрольной части. Спуск произведём по цепи питания контрольной части. Здесь имеется отвод от выпрямителя +12V, расположенный до сглаживающего фильтра. Как уже выше указывалось, в этой точке действует удвоенное импульсное напряжение +24V. С помощью диодного выпрямителя VD17C23 импульсное напряжение превращается в почти такое же по амплитуде, но постоянное. Цепочкой R21C22 оно ещё и сглаживается. А теперь посмотрим на процесс запуска блока питания. Неуправляемый инвертор создаёт на выходе блока питания половинные напряжения. В частности, на цепи +12V с выхода сглаживащего фильтра будет 6-8V. На выходе же выпрямителя до фильтра - 12-14V! Вот это напряжение и питает управляющие схемы. Вообще всё питание контрольной части можно поделить на два вида: обычное и стабилизированное. Обычное может варьироваться от +12V до +24V. Стабилизация производится встроенным в микросхему TL494 стабилизатором, на выходе которого получается +5V.

Прежде всего, стабильное напряжение запитывает саму микросхему TL494. Запускается встроенный генератор, частота которого определяется цепочкой R31C28 , пилообразный сигнал которого поступает на компараторы внутри TL494 . Однако в момент пуска компараторы "заглушены" сигналом мёртвого времени, подаваемого на вывод DT . Так сделано для того, чтобы "устаканить" все переходные процессы в схеме, имеющиеся в момент включения устройства. Цепочка R25R30C26 постепенно заряжается и постепенно задействует всю большую и большую часть пилы для регулирования напряжения.

Принцип действия системы регулирования выходного напряжения основан на сравнении выходного напряжения +5V с опорным. Система регулирования не ограничивает работу инвертора, а наоборот, усиливает, как бы "подгоняет" его. Сравнение организовано с помощью двух делителей R34R27 , R24R28 и компаратора, имеющегося у TL494 . Если выходное напряжение мало, с выходов TL494 начинают поступать импульсы дополнительной раскачки инвертора. Эти импульсы подаются на транзисторные ключи R20R32VT4VD8R18VT9VD9 . Цепочка VD11VD12C21 создаёт на эмиттерах этих транзисторов напряжение порядка 1.5V, что приводит к их более надёжному закрытию отрицательным (относительно эмиттеров) напряжением с TL494 . Транзисторные ключи образуют собой ещё один инвертор VT4VT9T2 , который и раскачивает основной инвертор VT1VT2C7T3 .

Система защиты собирается на другой микросхеме, счетверённом компараторе LM339 . Назначение этой схемы - предотвратить подачу рабочих напряжений, если какое-то одно из них отсутствует или находится в недопустимых пределах. Фактически схема может только вывести инвертор в неуправляемый режим. Например, нету +5V - нечего блоку выдавать +12V/-12V, или же нет -5V - не должно выходить +5V, а то как бы чего не вышло (вспомним убожеский советский процессор КР580ВМ80). Задача сама себе противоречивая, ведь тогда как включить такой блок питания, когда нет ни одного рабочего напряжения? Это решается небольшой задержкой, в ходе которой допускается отсутствие какого-либо напряжения. Больше - ни-ни, моментальный уход в неуправляемый режим.

Итак, "глазами" или "ушами" системы защиты является хитрое нагромождение резисторов с диодами. Контроль организован по наличию напряжений -5V, -12V, по отсутствию перенапряжения на линии +5V и по чрезмерной раскачке управляющего трансформатора T2 - явному признаку неисправности силового инвертора (ведь он должен самовозбуждаться на половинной мощности). Напряжение +12V не контролируется, поскольку если его не будет, не будет работать вся контрольная часть блока питания. Уровень раскачки трансформатора T2 измеряется по индуцируемому им напряжению на резисторах R17R50 . Здесь обычно ставят разные резисторы либо лепят спайку, видимо регулируют на заводе-изготовителе. Оно и понятно: трансформатор, тем более импульсный - самый трудно контролируемый элемент.

В-общем, напряжение с цепочки R17R50VD7 сглаживается фильтром R16C25 и подаётся на делитель R41R45R46 . Тут же на этот же делитель через VD15R47 подаётся +5V с выхода блока питания. Давайте рассчитаем напряжения. Опорное напряжение на компараторах, судя по цепочке R56R43 , равно 1.7V. Компаратор DA2.2 будет срабатывать, если в точке R45R46 также будет 1.7V. Значит, в точке R47R45 должно быть 5.1V. Далее у нас диод VD15 с его 0.7V и окончательно получаем 5.8V - порог срабатывания от перенапряжения. Поскольку R47 значительно меньше R41 , защита от перенапряжения срабатывает всегда вне зависимости от уровня раскачки трансформатора. И с другой стороны, если нет перенапряжения, можно контролировать раскачку трансформатора. Получается как бы резистивное "И" - независимый контроль двух параметров минимальным числом элементов.

Контроль наличия напряжений -5V и -12V реализован на цепочке R36R49VD16R48 и компараторе DA2.1 . В рабочем режиме диод VD16 всегда открыт и через него всегда протекает ток на линию -12V. То есть на R48 присутствует напряжение -5.7V. С помощью делителя R36R49 это напряжение смещается вверх, но всё равно его будет недостаточно для срабатывания компаратора. Теперь представим, что -5V пропало. Это равносильно тому, что на линии -5V будет присутствовать нулевой потенциал (благодаря резистору холостого хода R53 ). На входе компаратора в точке R36R49 напряжение повысится и компаратор сработает. Ну а если пропадает -12V? Тогда диод VD16 запирается, и на всём делителе устанавливается напряжение примерно +5V, соответвенно компаратор опять срабатывает.

Сигнал с обоих компараторов объединяется и поступает на линию задержки, реализованную на цепочке R44C24R22VT5 . Формируемая здесь задержка на срабатывание крайне важна при запуске блока питания. Однако если всё-таки срабатывание защиты произошло, происходит два события. Во-первых, система "защёлкивается" через VD14 . На делителе R36R49 навсегда заводится +5V, и вернуть в прежнее состояние схему можно будет только после выключения блока питания и выдержки его в течении нескольких секунд. Во-вторых, через VD13 положительный сигнал разряжает конденсатор C26 в цепи формирования мёртвого времени у TL494. То есть генератор перестаёт формировать управляющие импульсы, и инвертор уводится в неуправляемый режим.

Цепь формирования сигнала PowerGood начинается с цепочки R22C25 . Поскольку постоянная времени такой цепочки - примерно полсекунды, за такое время блок питания должен будет гарантированно запуститься и сообразить что все выходные напряжения в норме. В противном случае будет производиться срыв колебаний и включение разрядного транзистора VT6 . Транзистор этот включен по токовой схеме, благодаря чему удаётся избежать слишком больших токов разрядки C25 . На конденсаторе C25 формируется плавно меняющеся напряжение, непригодное для управления цифровыми схемами. Поэтому в блоке питания имеется триггер Шмидта, реализованный на цепочке DA2.3R33R42 . Выход PowerGood привязывается к выходному напряжению +5V и в таком виде подаётся в системную плату компьютера.

1.3 Схемотехнический анализ устройства микропроцессорной системы, электрические и эксплуатационные параметры электрических компонентов, образующих элементную базу

Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности без частотной коррекции. Корпус К140УД1 (А-В) типа 301.12-1, масса не более 1,5 г., КР140УД1 (А-В) типа 201.14-1 масса не более 1,5 г.

Рис.1.3 Корпус К140УД1

Рис.1.4 Электрическая схема КР140УД1 (К140УД1)

Таблица.1.1 Электрические параметры микросхемы

Таблица.1.2 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Рекомендации по применению

При одновременной подаче на входы ИС синфазного и дифференциального входных напряжений потенциал на каждом входе не должен превышать 1,5 и 3 В для К140УД1А, КР140УД1А; 3 и 6 для К140УД1(Б,В), КР140УД1(Б,В). Зарубежные аналоги µ A702HC, µ A702PC.

2. Конструкторский раздел

2.1 Методика диагностирования устройства

2.1.1 Типовые неисправности устройства и их возможные причины

Проблемы, которые могут иметь место при неисправности блока питания, можно классифицировать как очевидные и неочевидные.

К очевидным относятся: компьютер вообще не работает, появление дыма, сгорает предохранитель на распределительном щите.

Неочевидные с целью исключения ошибок определения неисправного элемента требуют дополнительного диагностирования системы, тем не менее они могут быть связаны с работоспособностью источника:

ь Любые ошибки и зависания при включении питания.

ь Спонтанная перезагрузка и периодические зависания во время обычной работы.

ь Хаотические ошибки четности и другие ошибки памяти.

ь Одновременная остановка жесткого диска и вентилятора (нет +12 В), перегрев компьютера из-за выход строя вентилятора.

ь Удары электрическим током во время прикосновения к корпусу компьютера или разъемам.

ь Небольшие статические разряды, нарушающее работу сети.

Особое внимание обращают на цепь формирования сигнала «Питание в норме», ранняя подача этого сигнала может приводить к искажениям CMOS-памяти. Типовые неисправности, непосредственно связанные с нарушением работоспособности источника питания, приведены в таблице 2.1.

Источник питания представляет собой сложное радиоэлектронное устройство, ремонт которого необходимо осуществлять, точно представляя его работу и владея навыками нахождения и устранения дефектов. При ремонте рекомендуется комплексное использование всех доступных способов поиска неисправностей.

Табл. 2.1 Типовые неисправности источников питания

2.1.2 Варианты устранения неисправностей

Необходимо помнить, что источник импульсного питания не работает без нагрузки, подсоединение к сети должно происходить только через развязывающий трансформатор, отсутствие работоспособности источника может связано со схемой управления режимами.

При включении блока питания сгорает предохранитель.

Алгоритм поиска неисправностей:

При отключенном электропитании импульсного преобразователя тестером провести проверку целостности транзисторов. Дополнительно проверить отсутствие электрического контакта корпусов этих транзисторов с радиатором. Если требуется замена транзисторов, то аналоги должны соответствовать оригинальным приборам по рабочим уровням напряжений, тока, а также по частотным характеристикам.

После подачи питания запуска источника не происходит

Алгоритм поиска неисправностей:

В схеме с самовозбуждением узел начального питания ШИМ преобразователя подключается к выходу выпрямителя канала +12 В.

Короткое замыкание в канале с отрицательным номиналом напряжения не вызывает блокировки источника.

Возможная причина: нарушение электрических связей в канале защиты от перегрузки.

Алгоритм поиска неисправностей:

Такой эффект может возникнуть при К3 в канале -5 В, если неисправен диод или он не присоединен к выходу этого канала. Проверить исправность диода и корректность его подключения в электрической цепи.

Вторичные напряжения в норме. С данным блоком питания компьютер не включается.

Алгоритм поиска неисправностей:

Каскад на транзисторе вырабатывает сигнал высокого логического уровня с задержкой относительно времени установления вторичных напряжений. Для того чтобы идентифицировать неисправность в каскаде формирования сигнала «питание в норме», при включении источника нужно проследить логику срабатывания элементов, подключенных к транзистору и самого транзистора. Отказавший элемент заменить.

2.1.3 Методика диагностирования

Ремонт следует начинать с внешнего осмотра рекомендуемого устройства в выключенном состоянии, при котором необходимо обращать внимание на исправность предохранителя и любое изменение внешнего вида элементов схемы (цвета корпуса). При определении неисправного элемента следует обратить внимание на исправность всех элементов, подключенных к этой цепи. Ремонт следует проводить технически исправными приборами, с использованием низковольтных паяльников, питающихся через разделительный трансформатор. Как показывает практика из всех элементов системного модуля наибольшее число отказов приходиться на блоки питания. Наибольшие число отказов блоков питания связано с «неумышленными» неисправностями, к которым относится перепутывание напряжения питания, т.е включение блока в сеть с неправильно установленным переключателем напряжения питания (в сеть 220 В включается блок питания, в котором переключатель установлен на 115 В). Результат такой эксплуатации сопровождается мгновенным взрывом конденсаторов низкочастотного фильтра сгоранием термистора и, естественного, предохранителя. Поэтому перед первым включением источника питания обращают внимание на положение переключателя типа питающей сети. После проведения ремонта рекомендуется адаптировать аппарат под нашу сеть, исключив (методом выпаивания) все элементы, влекущие возможность ошибочного включения источника.

Любой ремонт начинается с предварительного внешнего осмотра. Это в большинстве случаев позволяет отремонтировать блок питания даже при отсутствии достаточной информации. Нежелательно производить ремонт без развязывающего трансформатора и нагрузки. Рекомендуется для блока питания мощностью 200 Вт использовать для источника питания +5 В нагрузку сопротивлением 4,7 Ом (50 Вт), а для источника +12 В нагрузку 12 Ом (12 Вт). Достаточно эффективной нагрузкой источника питания по каналу +12 В являются автомобильные лампочки на 12 В. Учитывая требования к точности, выходные напряжения желательно проверять цифровым мультиметром. Проведение ремонтных работ любого электронного устройства в большинстве случаев имеет комплексный характер. Поиск неисправностей, ее локализация и устранение производится, как правило, с помощью контрольно-диагностических измерительных приборов. После любого вида ремонтно- восстановительных работ необходимо проводить тщательную предварительную проверку функционирования узлов блока питания по методике. В некоторых случаев постепенная проверка каскадов позволяет определить дефекты, не выявленные ранее, и проконтролировать правильность проведенных замен элементов. Все операции по измерению электрических режимов работы элементов силового каскада следует проводить согласно рис. 2.1 при подключении источника питания к сети питания через трансформатор развязки.



Рис 2.1 Схема подключения импульсного источника питания через развязывающий трансформатор

При проведении диагностики основных приборов необходимо проверять и пассивные элементы, задающие электрические режимы функционирования активных компонентов. Нередко дефект, вызванный отказом именно пассивных элементов, является причиной потери работоспособности узла на активных приборов. Перед принятием окончательного решения по поводу замены нужно убедиться в нормальном состоянии печатных проводников платы и пассивных элементов.

Безусловно, в качестве рекомендаций по поведению ремонтных работ следует особо отметить необходимость всестороннего анализа причин, которые могли привести к проявлению дефекта или отказу работоспособности.

При выявлении причины нужно восстановить логику действий, вызвавших тот или иной отказ, на основании которых легче спрогнозировать возможные неисправности элементов и локализовать их.

Если возникает необходимость замены элементов, ее следует проводить с использованием оригинальных компонентов или самых близких функциональных аналогов. При этом подборе элементов в первую очередь учитываются параметры, наиболее критичные для функционирования в конкретных условиях. К ним могут относиться тепловые режимы, максимальные величины тока или напряжения используемого прибора. Локализовать неисправный узел по внешним признакам проявления дефекта и, соответственно, наметить план действий по выявлению возникшей неисправности.

В графической части дипломного проекта приведена блок схема диагностики источника питания.

2.2 Диагностирование устройства

2.2.1 Диагностирование устройства аппаратным методом

При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. Значительную долю рынка недорогих измерительных приборов занимают цифровые мультиметры. Большая их часть построена на основе АЦП типа ICL7106 от фирмы International Rectifier (отечественный аналог -- АЦП 572ПВ1). На основе этого АЦП можно создавать различные цифровые измерительные приборы как для измерения электрических величин, так и для измерения веса, температуры и др. Однако определенный интерес при разработке цифровых мультиметров представляет другая микросхема -- NJU9207, о которой и пойдет речь.