М и н и с те р с тв о о б р а з о в а н и я и н а у к и Р о с с и й с к о й Ф е д е р а ц и и

Ф е д е р а л ь н о е а г е н тс т в о п о о б р а з о в а н и ю

Ф Г О У С П О « К у з н е ц к и й и н д у с т р и а л ь н ы й т е х н и к ум »

Электропитание средств вычислительной техники

Учебно-методический комплекс

Новокузнецк

2008

Рассмотрено на заседании цикловой «УТВЕРЖДАЮ»

предметной комиссией ЭВТ и

программирования Зам. Директора по УМР

Протокол № __________

От «____»__________________2008 года

Председатель ПЦК:

_______________Агаркова Н. А.

«___» ________________ 2008г.

__________________Терехина И. А.

«___» ___________________ 2008г.

АВТОР:

Романов В. П., преподаватель высшей квалификационной категории ФГОУ СПО «КИТ».

РЕЦЕНЗЕНТ:

Заведующий кафедрой «автоматизированного электропривода и промышленной

электроники» Сибирского государственного индустриального университета доктор технических наук, профессор Островлянчик В. Ю.

Методический комплекс разработан в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Электропитание средств вычислительной техники». Комплекс знакомит студентов с основами и особенностями построения источников электропитания питания СВТ. Разработанные методические указания к лабораторному практикуму позволяют на практике закрепить и углубить полученные теоретические знания. Рабочая тетрадь для лабораторного практикума обеспечивает сокращение время выполнения работ и позволяет студентам больше времени уделять осмыслению полученным результатам.

Предназначен для студентов специальности 230106 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей».

Рекомендовано к изданию методическим советом техникума

ПРОТОКОЛ №_____

«___»_____________200__г.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 3

Оглавление

Введение ......................................................................................................................................................6

1 Организация электропитания СВТ .....................................................................................................7

1.1. Общие вопросы организации электропитания СВТ ....................................................................7

1.1.1.

1.1.2.

1.2.

1.2.1.

1.2.2.

1.2.3.

Параметры питающего напряжения ..........................................................................................7

Схемы включения СВТ в электрическую цепь. .....................................................................12

Источники питания СВТ ..............................................................................................................17

Классификация источников питания СВТ..............................................................................17

Химические источники тока и их характеристики ................................................................17

Структурные схемы ВИП их достоинства и недостатки.......................................................22

Контрольные вопросы и задания к разделу 1 ........................................................................................25

2 Схемотехника блоков питания .........................................................................................................26

2.1. Выпрямители источников питания..............................................................................................26

2.2.1.

2.2.

2.2.1.

2.2.2.

2.2.3.

2.3.

2.3.1.

2.3.2.

2.3.3.

2.4.

2.4.1.

2.4.2.

2.4.3.

2.5.

2.5.1.

Основные схемы выпрямителей, методика их расчета .........................................................26

Сглаживающие фильтры, назначение, классификация, принцип работы ...............................35

Классификация сглаживающих фильтров и их параметры...................................................35

Пассивные фильтры ..................................................................................................................36

Транзисторные сглаживающие фильтры. ..............................................................................40

Стабилизаторы напряжения .........................................................................................................44

Назначение и классификация стабилизаторов. Основные параметры.................................44

Параметрические стабилизаторы на полупроводниковых приборах...................................45

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия. ................................................48

Импульсные источники питания .................................................................................................53

Принципиальная схема импульсного стабилизатора. Назначение, принцип действия .....53

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения.................55

Конверторы, назначение, основные схемы, принцип работы...............................................55

Блоки питания персонального компьютера (ПК).......................................................................60

Структурные схемы ИП ПК. ....................................................................................................60

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 4

2.5.1.1. Схема ИП ПК АТ форм фактора, особенности и основные параметры. .........................60

2.5.1.2. Особенности ИП АТХ форм фактора.................................................................................63

2.5.1.3. Структурная схема м/с ШИМ-контроллера, основные элементы, принцип работы ......65

Контрольные вопросы и задания к разделу 2 ........................................................................................73

3 Средства улучшения качества электропитания ..............................................................................75

3.1. Электрические помехи, их виды, меры борьбы с ними.............................................................75

3.2. Источники бесперебойного питания ИБП, основные структурные схемы их достоинства и

недостатки архитектуры ...........................................................................................................................78

3.3. Паразитные электромагнитные поля. Электромагнитные поля и меры борьбы с ними........83

Контрольные вопросы и задания к разделу 3 ........................................................................................86

4 Энергосберегающие технологии......................................................................................................87

4.1. Методы экономии электроэнергии. Энергосберегающие технологии. ...................................87

4.2. Энергопотребление персональных компьютеров ......................................................................89

4.3. Управление режимами электропотребления ПК с помощью BIOS .........................................92

Контрольные вопросы и задания к разделу 4 ........................................................................................93

Литература .................................................................................................................................................94

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 5

Введение

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.

Учебно-методический комплекс предназначен для реализации государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 230106 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей».

В теоретической части комплекса рассматриваются основные принципы построения источников питания с преобразованием частоты и без преобразования частоты: типовые схемы выпрямителей, сглаживающие фильтры, параметрические и компенсационные стабилизаторы, импульсные стабилизаторы, конверторы напряжений. Комплекс предназначен для использования в качестве учебного материала по дис- циплине «Электропитание средств вычислительной техники», изучаемой студентами третьего курса специальности 230106 и является вводным курсом для дисциплины «Техническое обслуживание и ремонт ВТ».

Учебно-методический комплекс состоит из трех частей:

1 часть - Теоретический курс;

2 часть - Методические указания к лабораторному практикуму; 3 часть - Рабочая тетрадь для лабораторного практикума.

В результате освоения учебного материала студент должен:

Иметь представление:

• о роли и месте знаний по дисциплине при освоении смежных дисциплин по

выбранной специальности и в сфере профессиональной деятельности;

• о показателях качества и надежности электропитания средств

вычислительной техники (СВТ);

Знать:

••

Уметь:

•••

принцип действия источников питания СВТ;

параметры источников питания СВТ;

читать функциональные и принципиальные схемы источников питания СВТ;

регулировать и контролировать основные параметры электропитания СВТ;

организовывать бесперебойное электропитание средств вычислительной

техники.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 6

1 Организация электропитания свт

1.1. Общие вопросы организации электропитания СВТ

1.1.1. Параметры питающего напряжения

Основные понятия электрической сети

Электростанции России объединены в федеральную энергосистему, являющуюся

источником электрической энергии для всех ее потребителей. Передача и распределение электроэнергии осуществляется с помощью воздушных линий электропередачи, пересекающих всю страну. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии в линиях электропередач применяется очень высокое напряжение - десятки и (чаще) сотни киловольт.

В силу своей экономичности при передаче энергии применяется изобретенная русским инженером М.О. Доливо-Добровольским трехфазная система переменного тока, при которой электроэнергия передается с помощью четырех проводов.

Потребители электроэнергии рассчитаны на более низкие напряжения, чем напряжение в энергосистеме. Понижение напряжения производится в два этапа. Сначала на понижающей подстанции, являющейся частью энергосистемы, напряжение понижается до 6-10 кВ (киловольт). Дальнейшее понижение напряжение производится на трансформаторных подстанциях. После трансформаторной подстанции напряжение понижается до 220-380 В.

В трех фазной сети используют следующие типы проводников:

Линейный провод (L) -обеспечивает соединение потребителя с фазным выводом

генератора.

Рабочий ноль (нейтральный провод) (N) -проводник, обеспечивающий вместе с фазным проводником питание потребителя.

Нейтральный провод в трехфазной системе переменного тока выполняет очень важную функцию. Он служит для выравнивания фазных напряжений во всех трех фазах при разных нагрузках фаз (или, как говорят электрики, - перекосе фаз).

В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального.

Кроме этого нейтральный провод обеспечивает эффективную компенсацию токов в разных фазах в случае синусоидальных токов в трехфазной электрической сети. Если в электрическую сеть включено много компьютеров, то форма кривой тока искажается и эффективность работы нейтрального провода резко снижается. При этом возможны

опасные перегрузки нейтрального провода и искажения формы кривой напряжения.

Ранее в России применялась четырехпроводная трехфазная электрическая сеть. Она еще называется электрической сетью с глухо-заземленной нейтралью. За этими словами скрывается вполне простой факт: нейтральный провод на подстанции заземлен и практически не только выполняет свою функцию "симметрирования" трехфазной сети, но и используется как защитное заземление.

В настоящее время обычно применяется пяти-проводная электрическая сеть. В такой электрической сети имеется отдельный (пятый) провод заземления и нейтральный провод выполняет только одну функцию. Кстати сказать, все западные источники бесперебойного питания предназначены для использования именно с такой электрической сетью.

Защитное заземление (PE) - проводник, обеспечивающий соединение не

токоведущих частей корпуса потребителя с заземляющим устройством.

В трех фазной сети различают следующие виды напряжений:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 7

Фазное напряжение

Напряжение между фазным (L) и рабочим нулевым (N) проводниками. Для сети

380/220 В - 220 В.

Линейное напряжение

Напряжение между двумя фазными (L) проводниками. Для сети 380/220 В - 380 В.

Рисунок 1 - Трехфазная система переменного тока

Переменный электрический ток характеризуется также частотой. Номинальное стандартное значение частоты в России равно 50 Гц (Герц).

В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 23875-88 дает определения показателям качества электроэнергии, а ГОСТ 13109-87 устанавливает значения этих показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии. Для пользователя это означает, что он может требовать от энергоснабжающей организации, чтобы установленные нормы соблюдались не где-то в энергосистеме, а непосредственно в его розетке.

Наиболее важные показатели качества электроэнергии - это отклонение напряжения от номинального значения, коэффициент несинусоидальности напряжения, отклонение частоты от 50 Гц.

Согласно стандарту в течение не менее 95 % времени каждых суток фазное напряжение должно находиться в диапазоне 209-231 В (отклонение 5 %), частота в

пределах 49.8-50.2 Гц, а коэффициент несинусоидальности не должен превышать 5 %.

Остальные 5 или менее процентов времени каждых суток напряжение может изменяться от 198 до 242 В (отклонение 10 %), частота от 49.6 до 50.4 Гц, а коэффициент несинусоидальности должен быть не более 10 %. Допускаются также более сильные изменения частоты: от 49.5 Гц до 51 Гц, но общая длительность таких изменений не должна превышать 90 часов за год.

Авариями электроснабжения называются ситуации, когда показатели качества электроэнергии кратковременно выходят за установленные пределы. Частота может отклоняться на 5 Гц от номинального значения. Напряжение может снижаться до нуля. В дальнейшем показатели качества должны восстанавливаться.

Заземление

При установке промышленного оборудования для предотвращения поражения

электрическим током, применяется защитное заземление.

Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования (обычно рамы, корпуса или защитного кожуха), нормально не находящихся под напряжением. Даже если произойдет повреждение электрической изоляции (и даже, если при этом не сработают защитные предохранители), то напряжение на заземленных частях оборудования будет безопасным, так как сопротивление заземления по стандарту не должно превышать 4 Ома. При организации локальных компьютерных сетей рекомендуется еще более низкое сопротивление

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 8

заземления - не более 0.5-1 Ома. Впрочем, в этом случае заземление главным образом

служит для уменьшения помех, возникающих при работе различного оборудования.

Для устройства заземления в грунте размещают металлические предметы с развитой поверхностью и надежно соединяют его с шиной заземления.

Ранее в России для подключения бытовых и офисных приборов не применялось заземление. В быту и офисах использовались двухпроводные розетки, рассчитанные на напряжение до 250 В и ток до 6 А. Один из контактов в этой розетке соединен с линейным проводом трехфазной цепи (или, как говорят электрики с "фазой"), а другой - с нейтралью.

Исключение делалось только для мощной бытовой техники, типа кухонных плит и некоторых стиральных машин. Эти приборы подключались к специальной розетке с заземлением (которым часто служила "нейтраль" электрической цепи).

С появлением персональных компьютеров и большого количества импортной офисной и бытовой техники, начала широко применяться розетка с расположенными в периферийной части розетки заземляющими контактами. Эта розетка рассчитана на напряжение до 250 В и ток до 10 А (иногда до 16 А). Обычно ее называют "компьютерной", "европейской" или "евророзеткой".

В России в настоящее время применяется пятипроводная трехфазная сеть. В ней провод заземления и нейтраль отделены друг от друга. Пятипроводная сеть дороже (больше расходы на кабель и его прокладку), но более устойчива к помехам, особенно при работе компьютерного оборудования.

В России имеется стандарт (ГОСТ Р 50628-93), определяющий требования к персональным компьютерам по устойчивости к электромагнитным помехам. Этому стандарту должны соответствовать все компьютеры, производимые или импортируемые в России.

Компьютеры и периферийные устройства подразделяются на две группы в зависимости от устойчивости к помехам. Группу определяет производитель компьютера. После соответствующих испытаний и сертификации он имеет право объявить о соответствии его компьютера группе I или II ГОСТ Р 50628-93 по устойчивости к электромагнитным помехам. В таблице приведены параметры электрической сети, которые должны выдерживать компьютеры и периферийное оборудование в соответствии с этим стандартом.

Таблица 1 Требования к качеству электрической сети.

Группа

Вид внешней помехи

Электростатические разряды:

- контактные

- воздушные

Наносекундные импульсные помехи:

- в цепях питания

- в цепях ввода-вывода

Динамические изменения напряжения питания:

- провалы напряжения

- прерывания напряжения

- выбросы напряжения

Микросекундные импульсы большой энергии

Радиочастотные электромагнитные поля

I

2-4 кВ

2-4 кВ

0.5 кВ

0.5 кВ

154 В на 200 мс

0 В на 20 мс

264 В на 200 мс

500 В 1 В/м

II

4-6 кВ

4-8 кВ

1 кВ

0.5 кВ

154 В на 500 мс

0 В на 100 мс

264 В на 500 мс

1000 В

3 В/м

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 9

Сбои электропитания

1. Провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с

резким увеличением нагрузки в сети в связи с включением мощных потребителей, таких, как промышленное оборудование, лифты и т.д. Является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев.

2. Высоковольтные импульсы - кратковременное (на наносекунды или единицы микросекунд) очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии. Составляет 7.4 % всех сбоев питания.

3. Полное отключение напряжения согласно этому исследованию является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции. Встречается в 4.7 % случаев.

4. Слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в

сети, связанное с отключением мощных потребителей. Встречается в 0.7 % случаев.

В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания совершенно неизвестный на Западе. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась Грузия в 1992-1994 годах. Энергосистема Грузии в целом видимо

была очень сильно перегружена. Поэтому частота в сети могла опускаться до 42 Гц.

Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, но очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания (ИБП). Кроме того, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи. Батарея разряжается через несколько минут и вся работа на этом заканчивается.

Еще одной отличительной особенностью России являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, являющиеся причинами полного отключения напряжения в развитых странах, случаются у нас примерно с такой же частотой, что и там. Но в России эти случайности не являются единственными, и даже главными, причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор.

Дело в недостатке знаний. Электрики, обслуживающие офисное здание с множеством компьютеров, обычно не имеют никакого представления о том, какие последствия имеет отключение напряжения для компьютеров и данных. Поэтому они ведут себя совершенно так же, как и 20 лет назад.

При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он, разумеется, не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно, или, скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной.

Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 10

автоматического предохранителя. Такой цикл включений и отключений может в

некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

Отметим еще один вид искажений электропитания - речь идет об искажениях

формы синусоиды, связанных с работой компьютеров и других нелинейных нагрузок.

При работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети могут возникать искажения формы синусоидального напряжения. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник - колебаний кратных частот. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры.

Искажения формы кривой напряжения усугубляются специфическими свойствами трехфазной электрической сети, изначально предназначенной для работы только с синусоидальными напряжениями и токами.

Таблица 2 Виды сбоев электропитания

Вид сбоя

электропитания

Причина возникновения

Возможные следствия

Перегрузки блоков питания

Перегруженная сеть, неустойчивая работа электронных приборов и уменьшение

Пониженное

системы регулировнаия напряжения сети, их ресурса. Отключение оборудования

напряжение,

подключение

потребителей,

мощность

при недостаточном для его работы

провалы

которых сравнима с мощностью участка

напряжении.

Выход

из

строя

напряжения

электрической сети

электродвигателей. Потери данных в компьютерах.

Недогруженная сеть, недостаточно Выход из строя оборудования.

Повышенное

эффективная работы системы регулирования, Аварийное отключение оборудования

напряжение

отключение мощных потребителей

Атмосферное электричество, включение и

с потерей данных в компьютерах.

Высоковольтные отключение мощных потребителей, запуск в Выход из строя чувствительного

импульсы эксплуатацию части энергосистемы после оборудования.

аварии.

Сбои при выполнении программ и

Включение

и

отключение

мощных

передаче

данных.

Нестабильное

Электрический шум потребителей. Взаимное влияние работающих

неподалеку электроприборов.

изображение на экранах мониторов и в видеосистемах.

Полное отключение Серабатывание непропредохорнанителей дейстпри Помери дааннывыхоНаизостроь жстаркых

р т х. чен

п егрузках, фесси альные вия ко пьютер х - д я ест их

напряжения

персонала, аварии на линиях электропередач. дисков.

Значительную долю нагрузки сети составляют

нелинейные

потребители,

оснащенные

Помехи при работе чувствительного

Гармонические

импульсными блоками питания (компьютеры,

оборудования (радио и телевизионные

искажения

коммуникационное

оборудование).

системы, измерительные комплексы и

напряжения

Неправильно спроектирована электрическая

сеть, работающая с нелинейными нагрузками, перегружен нейтральный провод.

т.д.)

Перегрев

трансформаторов.

Для

компьютеров само по себе изменение

Нестабильная Сильная перегрузка энергосистемы в целом. частоты не страшно. Нестабильная

частота Потеря управления системой. частота является лучшим индикатором

неправильной работы энергосистемы

или ее существенной части.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 11

Перегрузки

Перегрузки (т.е. ситуации, когда ток в сети выше номинального или предельно

допустимого для участка электрической сети) могут происходить на разных уровнях системы электроснабжения. Соответственно разные и последствия.

Локальная перегрузка - это перегрузка сети на участке от потребителей до ближайшего автоматического предохранителя. Перегрузки на участке сети могут вызывать срабатывание этого предохранителя и, следовательно, локальное отключение напряжения.

Местная перегрузка возникает, если перегружена вся линия от потребителей до понижающего трансформатора. Происходит снижение напряжения в сети. При сильных перегрузках и выходе из строя локальных систем защиты, возможно срабатывание системы защиты подстанции, также сопровождаемое временным полным отключением напряжения. Это отключение распространяется на всех потребителей, питаемых от этого трансформатора.

Общая перегрузка возникает, если перегружена вся энергосистема или существенная ее часть. В этом случае, помимо снижения напряжения может происходить и уменьшение частоты синусоидального напряжения. При глубоких общих перегрузках возможно срабатывание защиты на электростанции и отключение напряжения в системе в целом.

Совершенно особенным случаем перегрузки является временная перегрузка, связанная со стартовыми токами, возникающими при запуске почти любого оборудования (особенно это характерно для СВТ и других устройств содержащих источники питания). Стартовый ток может превышать номинальный ток потребления электрического прибора в единицы, десятки и (к счастью очень редко) в сотни раз. В зависимости от величины стартового тока, временная перегрузка может распространиться на больший или меньший участок сети. Чаще всего включение оборудования вызывает местные перегрузки, но известны случаи, когда включение одного очень мощного агрегата вызывает перегрузку энергосистемы целой страны.

1.1.2. Схемы включения СВТ в электрическую цепь.

Для питания средств вычислительной техники применяется электрическая сеть с

переменным напряжением 220В. Данное напряжение при воздействии на человека вызывает протекание электрического тока опасного для жизни человека.

В тоже время любой бытовой электроприбор, включенный в электрическую сеть в результате своей работы, создает вокруг себя вредное для здоровья человека электромагнитное поле (ЭМП) как низкой (50 Гц) так и высокой (40-80кГц) частоты. На человека, находящегося вблизи работающего бытового электроприбора, воздействует как электрическая, так и магнитная составляющая ЭМП.

Вокруг многих незаземленных бытовых электроприборов, а особенно компьютера, за которым человек, как правило, работает по многу часов кряду, уровень ЭМП в разы, а иногда и на порядок превышает допустимые значения. По данным Центра электромагнитной безопасности наиболее чувствительны к воздействию ЭМП являются нервная, иммунная, эндокринная и половая системы человека. Биологический эффект ЭМП в условиях длительного воздействия имеет свойство накапливаться. В результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы

центральной нервной системы, рак крови, опухоли мозга, гормональные заболевания.

Следовательно, схема подключения СВТ к электрической сети должна выполнять

следующие взаимосвязанные функции:

1. Безусловную защиту персонала, работающего с СВТ, от поражения

электрическим током;

2. Безусловную защиту персонала, работающего с СВТ, от вредного

воздействия ЭМП;

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 12

3. Защиту СВТ и других потребителей от взаимных помех.

4. Обеспечить электрическое питание СВТ.

Подключение блока питания компьютера и основных видов СВТ выполняется по схеме, представленной на рисунке 1.

Рисунок 2 - Типовая схема подключения СВТ к

питающей сети

Рисунок 3 - Электрическая схема неправильно

подключенной розетки

1 - фазные провода сети; цифрой 2 -

совмещенный нулевой рабочий и защитный проводник; 3 - фазный проводник, подключенный к розетке; 4 - нулевой рабочий проводник; 5-трехпо- люсная розетка; 6 - полюс розетки, к которому присоединен нулевой рабочий проводник; 7 - проводник, соединяющий заземляющий полюс 8 розетки и полюс розетки, к которому присоединен нулевой рабочий проводник; 9 - полюс розетки, к которому подсоединен фазный проводки.

Конденсаторы С1 и С2 выполняют роль фильтра, исключающего проникновение помех из питающей сети в ПК.

В нашей стране присутствует множество объектов, в которых используется электрическая сеть с глухозаземленной нитралью, которая выполнена с использованием четырех проводной линии (три фазных проводника (L) и один глухозаземленный нулевой проводник (N)).

Применение розетки без подключенного заземляющего контакта приводит к снижению эффективности работы фильтра (С1, С2) и так как корпус СВТ не заземлен то отсутствует защита персонала от ЭМП. Конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения, создающий в средней точке, подключенной к корпусу СВТ, напряжение равное половине сетевого 110В. Что может привести к поражению электрическим током в случаи касания корпуса СВТ и заземленного оборудования (например, батареи

отопления). Следовательно, данный способ подключения является потенциально опасным.

Подключение СВТ к розетке, к которой подходят два проводника, один из которых фазный, а второй нулевой рабочий и одновременно к ее заземляющему контакту, как показано на рисунке 3. Такой монтаж розетки является грубейшим нарушением требования правил электробезопасности и превращает розетку, предназначенную обеспечивать защиту от поражения электрическим током, в свою прямую противоположность, ибо создает повышенную опасность поражения электрическим током. Действительно, при любом повреждении нулевого рабочего проводника на всем своем протяжении на заземляющем (в кавычках) полюсе розетки, а, следовательно, и на корпусе «заземленного» таким образом электроприемника, появится, опасное для жизни человека электрическое, напряжение значением 220 В. Оно попадет туда через проводимость включенного в розетку однофазного электроприемника, например компьютера. Повреждение нулевого рабочего проводника может произойти, как уже говорилось, на всем его протяжении, и причин для таких повреждений может быть достаточно много.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 13

Применение отдельного, «чистого» заземления, изолированное от системы

заземления здания, подключенного к заземляющему контакту розетки, так же является ошибочным решением - защита от ЭМП обеспечивается, а электробезопасность нет.

Рассмотрим простую ситуацию. Допустим, для заземления компьютеров в каком- либо помещении была выполнена «чистая» система заземления, т.е. все металлические корпуса компьютерной техники, сетевых и прочих устройств присоединены к выделенному контуру заземления, не связанному с системой заземления здания (рисунок 4).

Рисунок 4 - Возможные причины поражения электрическим током при применении выделенного

контура заземления на СВТ

Рисунок 4 иллюстрирует путь тока при коротком замыкании (КЗ) между фазным проводником, питающим компьютер, и его корпусом, возникающем вследствие пробоя конденсатора в сетевом фильтре на входе в устройство. Обратный путь тока КЗ будет проходить через два контура: общий контур защитного заземления здания (ТП) и «компьютерное заземление». Сопротивление контура заземления трансформаторной подстанции (ТП) обычно составляет не более 4 Ом, сопротивление «чистого» заземления составляет порядка 10 Ом. Поэтому при питании оборудования напряжением 220 В

максимальный ток КЗ, протекающий по поврежденной линии, составит:

Этого тока будет недостаточно для срабатывания автоматического выключателя, установленного на поврежденной линии. Если на линии установлен автоматический выключатель с номинальным током 16 А, то для быстрого отключения тока КЗ должен сработать электромагнитный расцепитель (величина уставки 45-100 А и более). Следовательно, при протекании тока величиной 15,7 А устройство защиты просто «не поймет», что протекающий по нему ток является результатом аварийной ситуации, и не отключит поврежденную линию. При прикосновении к корпусу такого электрооборудования человек попадет под напряжение. Кроме того, небольшие по сечению соединительные провода и интерфейсные элементы оборудования будут интенсивно нагреваться. Нагрев происходит из-за разности потенциалов между корпусом и экранами сетевых кабелей. Таким образом, по ним будет протекать ток, что может привести к выходу их из строя и даже возгоранию. Потенциал, который будет возникать

на корпусе оборудования, легко подсчитать следующим образом:

Следовательно, при касании человеком корпуса возникнет разность потенциалов, равная 157 В. Через человека (сопротивление которого в среднем равно 1 кОм) будет

протекать ток:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 14

Хотя поражение электрическим током зависит от множества факторов (состояние

нервной системы, состояние кожи и т.д.), тем не менее, из расчетов, очевидно, что при неотпускающем токе 20-30 мА протекающий через тело человека ток в 155 мА смертелен.

Наиболее полно обеспечивает защиту персонала от ЭМП и поражения электрическим током, а СВТ от помех обеспечивает пяти проводная электрическая сеть, содержащей кроме фазных проводников (L) и нулевого провода (N) дополнительный проводник - защитное заземление (PE).

Главная идея заключается в том, что все заземляемые части оборудования, нулевые защитные проводники, металлические трубопроводы коммуникаций, металлические части каркаса здания, металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования, заземляющие устройства системы молниезащиты, заземляющие проводники рабочего заземления, металлические оболочки телекоммуникационных и сетевых кабелей должны быть объединены в основную систему уравнивания потенциалов (рисунок 5). Для соединения с основной системой уравнивания потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине.

Рисунок 5 - Безопасная система заземления

Это соглашение минимизирует помехи, возникающие от протекания токов по системе заземления в аварийных режимах, обеспечивая тем самым надежное функционирование оборудования и безопасность людей. По поврежденной линии будет протекать существенно больший ток (определяемый сопротивлением петли фаза-нуль), что позволит электромагнитному расцепителю автоматического выключателя быстро ее отключить, а ток, протекающий в это время по системе заземления, равномерно растечется и не вызовет появления помех благодаря наличию системы уравнивания потенциалов.

Необходимо напомнить, что по системе заземления в нормальном режиме работы не должно протекать никаких токов. Тем не менее, в системе заземления имеются несколько источников вероятного появления помех. Это перенапряжения, вызванные прямыми и/или удаленными ударами молнии, а также коммутациями в системе электроснабжения. Кроме того, могут возникать повреждения в измерительных цепях и цепях релейной защиты и автоматики. Не стоит также недооценивать токи утечки на металлоконструкции и трубопроводы здания. Если компьютер находится в помещении, по стенам, за потолком или под полом которого проходят кабельные линии с токами утечки, вызывающие повышенный уровень магнитного поля, то изображение на мониторе может заметно искажаться («плыть» или «дрожать»). Бывает, экран покрывается цветными пятнами различных оттенков, а иногда изображение полностью или частично пропадает на несколько секунд. Естественно, работать за таким монитором тяжело и вредно. Протекание токов по системе РЕ здания, а значит, и по защитным экранам интерфейсных и сетевых кабелей компьютеров, может вызывать сбои и «зависания» компьютерных сетей и другого электронного оборудования. Подобные проблемы возникают из-за изменения потенциала в системе защитного заземления, которая в свою очередь является

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 15

системой опорного потенциала для компьютерной техники. Кроме того, перенапряжения,

вызванные прямыми и/или удаленными ударами молний, а также коммутациями в системе электроснабжения, могут инициировать помехи, протекающие по системе опорного потенциала здания. Эти помехи имеют разную частоту - от единиц Гц до десятков МГц. В связи с этим в системе заземления, выполненной по одноточечному принципу (рисунок 3), могут протекать значительные помехи, вызванные резонансными явлениями в защитных проводниках.

Для подавления высокочастотных помех основную систему защитного заземления можно дополнять установкой рабочего (функционального) заземления. Однако необходимо помнить, что функциональное заземление служит только для обеспечения работы оборудования, но ни в коем случае не для обеспечения электробезопасности и его использование в качестве единственной системы заземления категорически запрещается.

Дополнительная защита персонала от поражения электрическим токов в случаи аварийных режимов работы блоков питания СВТ обеспечивается применением устройства защитного отключения (УЗО). Принцип его работы основан на правиле Кирхгофа (сумма токов подтекающих к узлу и вытекающих из него равна нулю). Устройство отслеживает токи утечки, возникающие при прикосновении человека к токоведущему проводу, повреждении изоляции и т. п. Наиболее распространены УЗО с током отсечки 10мА, 30мА и 300мА. В жилых и общественных помещениях, как правило, применяются УЗО с током отсечки 30мА.

Устройство состоит из 3-х основных функциональных узлов (рисунок.6):

1. Суммирующий трансформатор тока для обнаружения тока утечки

2. Расцепитель

3. Блокировочное устройство коммутационного аппарата с контактами.

Суммирующий трансформатор тока подключен ко всем токоведущим проводам и к нейтральному проводу. В неповрежденной установке намагничивающее действие токоведущих проводов в суммирующем трансформаторе тока взаимно компенсируется, поскольку, магнитное поле возникающее за счет протекания тока по фазному проводнику компенсируется магнитным полем за счет протекания тока но нулевому проводнику. Таким образом, остаточное магнитное поле, которое могло бы индуцировать напряжение во вторичной обмотке, отсутствует.

Рисунок 6 - Устройство и принцип работы УЗО

Если же в результате неисправности изоляции появляется ток утечки, то вышеупомянутое равновесие нарушается и в сердечнике трансформатора сохраняется остаточное магнитное поле. Вследствие этого во вторичной обмотке возникает напряжение, которое через расцепитель и блокировочное устройство коммутационного аппарата отключает электрическую цепь.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 16

1.2. Источники питания СВТ

1.2.1. 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 осуществляется преобразование не электрических видов энергии (химической, механической, световой и т.д.) в 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 рисунок7.

Рисунок 7 - Классификация источников питания

1.2.2. Химические источники тока и их характеристики

Общие сведения

Наибольшее применение для питания СВТ нашли химические источники тока

(ХИТ). В ХИТ осуществляется преобразование химической энергии в электрическую энергию.

Прямое преобразование химической энергии в электрическую основано на токообразующих реакциях. Устройство ХИТ однотипно. Это корпус, удерживающий электролит с ионной проводимостью, и два контактирующих с ним токоотвода с электронной проводимостью. Токоотводы должны быть выполнены из разнородных материалов (например, разных металлов) и обладать высокой степенью химической чистоты для предотвращения паразитных побочных реакций.

В зависимости от характера протекания токообразующей реакции ХИТ

подразделяются на:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 17

первичные ХИТ;

вторичные ХИТ.

Работа первичных ХИТ основана на необратимых токообразующих реакциях, и поэтому они рассчитаны, как правило, на однократное использование. Такие ХИТ называют гальваническими элементами.

Протекающие во вторичных ХИТ токообразующие реакции являются обратимы- ми и поэтому обеспечивают многократное использование. Такие ХИТ называют аккумуляторами.

Прогресс техники в целом и в создании ХИТ расширяет возможности их применения. Они широко используются как в качестве малогабаритных

транспортабельных, так и стационарных резервных источников электропитания СВТ.

Принципы работы ХИТ.

Поддержание этого тока во внешней цепи в течение длительного времени

обеспечивается происходящей внутри элемента электрохимической (токообразующей) реакцией.

Физики и химики объяснили причины и условия прохождения этой реакции, исходя из сложившихся традиций.

Физическое объяснение токообразования, как результата действия контактной разности потенциалов.

С точки зрения химии в элементе происходит растворение, т. е. окисление

материала одного из электродов и восстановление (отложение слоя) другого.

Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что между ними

возникает ЭДС, равная:

=(+) - (_)

где: + — потенциал положительного электрода;

_— потенциал отрицательного электрода.

Последняя формула позволяет понять, почему электроды должны быть

выполнены из разных материалов — только такое сочетание дает ненулевую ЭДС.

Обычно элементы классифицируют по участвующим в реакции веществам, т. е. по электролиту и электродам - по так называемой электрохимической системе.

Важнейшим для практики параметром элементов является, внутреннее сопротивление r. Оно зависит от электропроводности электролита, геометрии электродов (т. е. от формы, размеров, взаимного расстояния), а также от целого ряда физических явлений, таких как, например, контактные, переходные, поляризация.

Обычное значение r лежит в пределах единиц—десятков ом

Взаимная связь между двумя описанными параметрами определяется законом Ома

для полной цепи:

E=I*(R_H+ r),

где: E - ЭДС элемента;

I — ток во внешней цепи;

R_H - сопротивление нагрузки;

г — внутреннее сопротивление элемента.

Устройство ХИТ

Гальванические элементы и батареи

В настоящее время в качестве первичных ХИТ для питания СВТ различного

назначения используются следующие электромеханические системы:

-марганцево-цинковые с солевым, хлоридным или щелочным электролитом и с

воздушной деполяризацией;

-никель-цинковая с щелочным электролитом;

-ртутно-цинковая, ртутно-индиевая и ртутно-кадмиевая с щелочным электролитом;

-серебряно-цинковая с щелочным электролитом;

-литиевые с различными, в том числе органическими электролитами.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 18

Конструкции всех элементов и батарей сводятся к двум: цилиндрической и

прямоугольной. По рекомендации МЭК цилиндрические элементы и батареи имеют в

обозначении:

одну букву, определяющую электрохимическую систему (L — алкалическая, S -

серебряно-цинковая, М или N - ртутно-цинковая и т. д.);

букву R (от английского Ring - круг), определяющую форму элемента; число (от 03 до 600), условно определяющее размеры элемента.

Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности, галетного типа)

имеют в обозначении:

одну букву F (от английского F1а1 - плоский), определяющую форму элемента;

одну букву, определяющую электрохимическую систему, как у цилиндрических

элементов.

Аккумуляторы

Аккумуляторы широко применяются для питания различной радиотехнической аппаратуры. По сравнению с гальваническими элементами аккумуляторы имеют больший срок службы, обладают большим постоянством напряжения, допускают более сильные разрядные токи, более экономичны.

Аккумуляторы подразделяют на:

-кислотные -щелочные

Рисунок 8 - Устройство аккумуляторов

а - кислотного, б - щелочного;

1-контактные выводы, 2-пробка для заливки электролита, 3 - сепаратор, 4 - положительные пластины, 5 -

отрицательные пластины, 6 - корпус, 7 - изоляционные прокладки, 8 - цапфа.

Кислотный аккумулятор (рисунок 1, а) содержит положительные пластины 4, выполненные из перекиси свинца, и отрицательные 5 — из губчатого свинца. Пластины помещены в эбонитовый или стеклянный корпус 6, наполненный электролитом, и отделены друг от друга пористой изоляционной прокладкой — сепаратором 3. Электролитом служит водный раствор серной кислоты плотностью 1,21—1,25 для работы при нормальных температурах и плотностью 1,3—1,35 при низких (от —20 до —30° С) температурах.

Обозначения. Первая цифра в обозначении аккумуляторной батареи (например, 3СТ-60) указывает, из скольких последовательно соединенных аккумуляторов состоит батарея. Число после букв обозначает номинальную емкость в ампер-часах. Буквы

соответствуют назначению аккумулятора:

С — стационарный,

СП — стационарный с панцирными пластинами,

СТ — стартерный,

РА — радиоанодиый,

РН — радионакальный, МТ — мотоциклетный.

Материал сосуда и сепараторов обозначают буквами: Э — эбонит, П — пластмасса,

Д — дерево, Л1—мипласт, С — стекловойлок.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 19

Зарядку кислотных аккумуляторов производят от источника постоянного тока по

истечении 3—6 ч после их заливки. Цепь зарядки должна быть снабжена устройством (например, реостатом), обеспечивающим регулировку величины зарядного тока.

Зарядку ведут непрерывно в течение 10 ч током, равным 0,1 емкости аккумуляторов (в ампер-часах). При уменьшении тока зарядки продолжительность заряда возрастает.

Q_I =I_зар.* t_зар.

Признаком окончания зарядки служит интенсивное кипение электролита, а также

увеличение его плотности до 1,24—1.28. Напряжение одного элемента кислотного

аккумулятора в конце зарядки 2,6—2,8 в

Разрядка кислотного аккумулятора ниже 1,8 в недопустима, так как при этом активная масса пластин преобразуется в труднорастворимые соли (сульфат) свинца и снижается емкость аккумулятора Разряженный аккумулятор в течение суток снова ставят на зарядку. Один раз в год меняют электролит и промывают аккумуляторы дистиллированной водой.

Щелочные аккумуляторы по сравнению с кислотными обладают более высокой механической прочностью, допускают большие зарядные и разрядные токи, устойчивы к коротким кратковременным замыканиям, допускают продолжительное пребывание и

разряженном состоянии. Промышленность выпускает следующие типы щелочных АКБ

-кадмиево-никелевые (КН),

-железо-никелевые (ЖН)

-серебряно-цинковые аккумуляторы.

В кадмиево-никелевых аккумуляторах активной массой положительных пластин 4

является гидрат окиси никеля в смеси с графитом, а отрицательных 5—кадмий и его окись.

Железо-никелевые аккумуляторы имеют несколько иной состав и аналогичные с

кадмиево-никелевыми аккумуляторами размеры и электрические характеристики.

Серебряно-цинковые аккумуляторы обладают большей удельной емкостью, чем кислотные и щелочные аккумуляторы. Они допускают работу при значительном сни-

жении атмосферного давлен2ия и характеризуются высокой предельной плотностью

разрядного тока (до 500 ма/см ) при сравнительно небольшом саморазряде.

В пластмассовом сосуде серебряно-цинкового аккумулятора размещены положительные (из чистого серебра) и отрицательные (из окиси цинка) пластины. Положительные пластины обернуты капроновой тканью, предохраняющей аккумулятор от короткого замыкания. Каждая отрицательная пластина помещена в пластмассовый пакет, который проницаем для электролита, но исключает оседание твердых частиц на дно сосуда.

Электролитом щелочных аккумуляторов служит водный раствор едкого натрия (плотностью 1,19) или едкого калия (плотностью 1,21).

В химических реакциях электролит не участвует, а лишь является проводником тока, поэтому в процессе работы аккумулятора электролит не меняет своей плотности и состава.

Первая цифра в обозначении щелочной аккумуляторной батареи (например, 4НКН- 45) указывает, из скольких последовательно соединенных аккумуляторов состоит батарея. Далее следует буква, укатывающая назначение батареи.

А — анодная,

Н — накальная, Ф — фонарная, Ш — шахтная.

Следующие две буквы указывают материал пластин

КН — кадмиево-никелевые,

ЖН — железо-никелевые

Цифры после букв обозначают

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 20

емкость аккумулятора в ампер часах

В конце обозначения могут быть цифры I или II, указывающие на особенности

сварки корпуса

Соединение ХИТ

Для получения напряжений, превышающих ЭДС элемента, применяют батареи

Батареи могут состоять:

-из последовательно соединенных элементов.

-из параллельно соединенных элементов

-смешанного соединения элементов

Наилучшие условия отбора мощности от таких батарей - использование

одинаковых элементов.

Тогда при последовательно соединенных n одинаковых элементов параметры

эквивалентной батареи определятся по следующим формулам:

EЭ

r_Э

n*E 1

n

r_i

i1

Как видно из формул, батарея из n последовательно соединенных элементов

обладает в n раз большей ЭДС, но и во столько, же раз большим внутренним сопротивле- нием.

Это ограничивает возможности создания больших токов разряда во внешней цепи. Для больших токов используют параллельное соединение элементов.

Для n одинаковых элементов, соединенных параллельно, параметры

эквивалентной батареи определятся по следующим формулам:

E_Э E₁

r

r_Э

n

Разумеется, что ЭДС батареи из параллельно соединенных элементов остается без

изменений, а внутреннее сопротивление — в n раз меньше.

Одновременное получение повышенных напряжений и токов разряда осуществ- ляется путем смешанного соединения элементов.

Параметры ХИТ

Важнейшим параметром является емкость элемента, т. е. способность удерживать в

себе некоторое количество электричества (иными словами, электрический заряд).

Емкость по току характеризует заряд, отдаваемый во внешнюю цепь при

постоянном токе нагрузки, и связана с током разряда простой зависимостью

Q =I*t₀

где: Q — емкость, А • ч;

I — фиксированный ток, А или мА;

t₀— время разряда до момента, когда дальнейший разряд невозможен, ч.

Предельно допустимый разрядный ток - это максимальный ток, который может

отдавать в электрическую цепь ХИТ длительное время без механического разрушения.

Напряжение ХИТ -это напряжение на выводах ХИТ при отсутствии подключения внешней цепи.

К важнейшим параметрам относятся отбираемая от ХИТ полезная мощность, а также КПД. Полезная мощность определяется как мощность, выделяющаяся на внешней

нагрузке Rн

Р_П=I *U = I^2*R_Н

Суммарная электрическая мощность элемента

Р_= I^2* (R_Н+r)

С помощью введенных понятий легко определить КПД как отношение полезной

мощности к суммарной:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 21

 = Р_п = ₂ I R _н = R _н 2

Р

I (R_н + r) R_н + r

Анализ формулы позволяет сделать важный вывод - чем меньше внутреннее

сопротивление источника питания, тем выше его КПД, т.е. источник питания более эффективный.

1.2.3. 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 рисунок9. 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.

2 2 0 В,

50Гц

1

TV1

2

Сетевой

выпрямитеь

3

Фильтр

4

Стабилизатор

5

Uп

Рисунок 9 - Структурная схема ВИП без преобразования частоты

Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования частоты представлен на рисунок 10.

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).

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 22

Схема имеет очень низкий КПД (~30-40%), что является следствием работы активных

элементов стабилизатора (транзисторов) в активном режиме.

U1

1

t

2

U2

t

3

t

4

t

5 =Uвых

t

Рисунок 10 - Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования

частоты

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 без преобразования частоты представлена на рисунок11. 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;

Выпрямитель - преобразует поступающее на вход переменное

напряжение высокой частоты в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную, так и

постоянную составляющую;

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 23

Фильтр - обеспечивает выделение постоянной составляющей

однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление

(ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

 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.

2 2 0 В,

50Гц

1

Сетевой выпрями

тель

2

Фильтр

3

Конвертор

Инвертор

4

TV1

5

Выпрямитель

и фильтр

6

=Uвых

Схема

управления

Преобразователь напряжения

Рисунок 11 - Структурная схема ВИП с преобразованием частоты

Существует два основных алгоритма выработки управляющих импульсов:

Широтно-импульсное регулирование (ШИР) в данном случаи период следования

управляющих импульсов остается постоянным (Т_упр=const), а для регулирования

напряжения изменяется длительность управляющих импульсов (t_упр=var);

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) в данном случаи длительность

управляющих импульсов остается постоянной (t_упр =const), а для регулирования

напряжения изменяется период следования управляющих импульсов (Т_упр=var).

Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования

частоты представлен на рисунок 12.

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.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 24

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Контрольные вопросы и задания к разделу 1

Каковы основные параметры промышленной трех фазной сети?

Каково назначение линейного провода?

Каково назначение рабочего ноля?

Каково назначение защитного заземления?

Какие явления относятся к сбоям напряжения?

Перечислите основные требования, предъявляемые к основным схемам подключения СВТ к электрической сети.

7. Какие существуют основные схемы подключения СВТ к электрической сети, и каковы

их достоинства и недостатки?

8. Каково устройство УЗО, и от каких аварийных ситуаций УЗО защищает?

9. Каков принцип работы УЗО?

10. Как классифицируются источники питания СВТ по характеру преобразования

энергии?

11. На какие группы делятся ХИТ? 12. Поясните принцип работы ХИТ.

13. Объясните, почему электроды хит выполняются из разных материалов?

14. Какими параметрами характеризуются ХИТ?

15. Задание. Определить продолжительность заряда кислотного АКБ 12ст70, если заряд

производится током 0,2А.

16. Как использую однотипные ХИТ добиться отдачи большего тока в нагрузку?

17. Как используя однотипные ХИТ с небольшой величиной ЭДС получить более

высокое напряжение в нагрузке? Какие существуют ограничения для применения

данного способа?

18. Задание. Определить емкость аккумуляторной батареи, которую необходимо

установить в источник бесперебойного питания Back-Ups для обеспечения работы компьютера в течении 2 часов, если компьютер потребляет суммарную мощность 300Вт. По цепи +5В потребляется 60% мощность, оставшиеся часть мощности

поровну потребляется цепями -5В, + 12В, - 12В. (Потерями в Back-Ups пренебречь)

19. Задание. Определить какое время сможет работать компьютер от источника

бесперебойного питания Back-Ups имеющего АКБ емкостью 70А/час. Мощность, потребляемая компьютером аналогична заданию 18. (Потерями в Back-Ups пренебречь).

20. Какие существуют структурные схемы ВИП, и каковы их достоинства и недостатки?

21. Используя структурную схему ВИП с преобразованием частоты (рисунок 11)

представить осциллограммы напряжений в контрольных точках схемы.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 25