Компьютерный импульсный блок питания DTKXAD 819AR

• Введение
• 1. Описательная часть
• 1.1 Назначение импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 1.2 Общая характеристика импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 1.3 Описание конструкции блока питания DTKXAD 819AR
• 1.4 Принцип работы блока питания DTKXAD 819ARпо блок-схеме
• 1.5 Характеристика блоков импульсного блока питания DTK XAD 819AR
• 1.6 Описание схемы электрической принципиальной импульсного блока питания DTK XAD 819AR
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Проверочный расчет радиоэлементов схемы электрической принципиальной
• 2.2 Расчет надежности импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 2.2.1 Расчет вероятности безотказной работы
• 2.2.2 Расчет ремонтопригодности компьютерного импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 2.3 Расчет стоимости ремонта компьютерного импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 3. Технологическая часть проекта
• 3.1 Инструкция по эксплуатации импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 3.2 Техническое обслуживание импульсного блока питания DTKXAD 819AR
• 3.3 Характерные неисправности и методы их устранения
• 3.4 Перечень инструментов, расходных материалов и приспособлений для выполнения ремонтных работ
• 3.5 Испытания и контроль после ремонта импульсного блока питания DTKXAD819AR
• 4. Мероприятия по технике безопасности и охране труда
• Заключение
• Список литературы

С момента появления системных блоков персональных компьютеров они практически все комплектовались импульсными источниками питания, построенными на основе импульсных преобразователей напряжения с бестранcформаторным подключением к первичной сети. Развитие вычислительной техники отразилось и на импульсных преобразователях. Функциональные усовершенствования привели к некоторой стандартизации подхода в их разработке, повышению характеристик надежности и показателей электромагнитной совместимости. Значительно улучшились массогабаритные показатели источников питания компьютеров.

Внедрение нового АТХ форм-фактора в конструкцию системного блока персонального компьютера, введенного фирмой IBM, было направлено на стандартизацию и унификацию узлов, традиционно входящих в состав ПЭВМ. Но введение нового стандарта повлияло и на требования к расширению функциональных возможностей отдельных компонентов. Определенным образом эти изменения затронули и блоки вторичного электропитания системного модуля.

Перечень требований, предъявляемых к проектированию и изготовлению блоков питания АТХ конструктива, приведен в документе «Руководство по проектированию источников питания» версия 0.9 (в оригинальном написании «Intel АТХ. Powersupplydesignguide» version 0.9). Документ определяет требования по конструктивному исполнению, охлаждению, параметрам соединителей, временным параметрам выработки сигналов. В руководстве ряд требований предъявляется и к функциональным возможностям, а способы их реализации устанавливают фирмы-производители. Так, например, в нем указано лишь то, что источник питания должен иметь возможность работы от сети переменного тока с напряжениями 115 и 220 В, а способ селекции номинала этого напряжения жестко не регламентируется, то есть допускается как автоматическое определение, так и установка этого параметра переключателем.

Современные блоки питания имеют функцию дистанционного включения, независимый канал питания элементов дежурного режима с номиналом +5 В. В отличие от аналогичных блоков питания для компьютеров типа AT, в блоках АТХ используется 20-контактный разъем подключения к системной плате, на который выведены все вторичные стабилизированные напряжения и служебные сигналы. Дополнением в части вторичных напряжений в варианте АТХ блока является достаточно мощный канал с номинальным постоянным напряжением +3,3 В.

компьютерный импульсный блок питание

1. Описательная часть

1.1 Назначение импульсного блока питания DTKXAD 819AR

Импульсный блок питания DTKXAD 819AR является вторичным источником питания и служит для обеспеченияфункциональных частей ЭВМ напряжением определённого номинала.

1.2 Общая характеристика импульсного блока питания DTKXAD 819AR

1. Напряжения первичной питающей сети: 115 или 220 В;

2. Рабочий диапазон для первичных напряжений: — для напряжения 115 В — 90−135 В;

для напряжения 220 В — 180−265 В;

3. Диапазон частот первичного питающего напряжения — 47−63 Гц;

4. Устойчивость к нестабильности сетевого напряжения (на частотах 50−60 Гц), сохранение работоспособности при:

изменении номинального значения напряжения на 10% в течение 0−500 мс;

изменении действующего значения напряжения на 15% в течение 15 мин;

провале/выбросе на 30% номинального значения напряжения в течение 0−0,5 периода переменного напряжения;

потере работоспособности с последующим самовосстановлением при провале на 50% действующего значения напряжения в течение 0−5 периодов переменного напряжения.

5. КПД источника при полной нагрузке — не менее 68%;

6. Параметры дежурного режима (на вход PS-ON подан высокий логический уровень):

КПД канала дежурного режима 5VSB — не менее 50% при токе нагрузки 500 мА;

общая мощность потребления источника — не более 5 Вт при входном напряжении 230 В;

7. Размеры источника питания — 140×150×86 мм;

8. Диапазон рабочих температур от +10 до 50 °C;

9. Максимальная влажность окружающей среды без конденсата не более 85%.

Номинальные значения каналов вторичных напряжений и их основные параметры приведены в табл.1.

Измерения вторичных напряжений необходимо проводить на контактах разъемных соединителей, предназначенных для подключения к устройствам. Канал +3,3 В должен иметь запас по напряжению в 100 мВ для компенсации падения на соединительных проводниках и проводниках печатной платы.

10. Суммарная мощность по каналам +5 В и +3,3 В не должна превышать 125 Вт;

11. Токовая нагрузка по каналу +5 В должна превышать или быть эквивалентной нагрузке канала +3,3 В;

12. Разница времени нарастания напряжения канала +5 В до минимального значения диапазона регулирования и соответствующего значения по каналу +3,3 В не должна быть более 20 мс;

13. Источник должен быть снабжен встроенной защитой цепей преобразователя от короткого замыкания по каналам +5 В и +12 В;

14. Общий провод питания вторичных каналов напряжения должен иметь соединение с металлическим корпусом источника питания;

15. Преобразователь должен сохранять значения выходных напряжений в течение 17 мс после отключения первичного питающего напряжения;

16. Пульсации определяются как случайные или периодические отклонения от номинального значения напряжения с частотами в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц. Для измерений должна использоваться емкостная нагрузка из комбинации керамического конденсатора емкостью 0,1 мкФ и электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ.

Требования к условиям эксплуатации:

Температура полупроводниковых элементов в источнике питания не должна превышать + 110 °C при температуре окружающей среды +50°С. Корпус конденсаторов не должен нагреваться более 95% от максимального значения, приведенного в паспорте. Используемые резисторы должны иметь запас по мощности не менее 30% от паспортного значения. Изменение параметров элементов по максимально допустимым значениям напряжения и тока не должно быть более 10% при температуре +50°С.

При любом повреждении цепи первичного преобразователя никакие части источника не должны воспламеняться, создавать задымление, вызывать различного рода шум, печатная плата не должна обугливаться и иметь оплавленные проводники.

Таблица 1

Основные параметры вторичных каналов напряжений

1.3 Описание конструкции блока питания DTKXAD 819AR

Блоки питания для IBM совместимых компьютеров выпускаются в корпусах, унифицированных по габаритным и посадочным размерам. Все узлы блока питания расположены в металлическом корпусе, который служит для механической защиты элементов блока питания и электромагнитной экранировки. Металлический корпус состоит из двух деталей: основания и съемной крышки. И крышка, и основание имеют П-образную форму, у каждой есть по две боковые стенки. В конструкции основания предусмотрены резьбовые отверстия под винты-саморезы. Крышка соединяется с основанием четырьмя саморезами. На основании винтами укрепляются все узлы блока питания. Электронные компоненты блока питания располагаются на единой односторонней печатной плате, закрепленной винтами на донной части основания. Между платой и дном основания располагается изолирующая прокладка из синтетического материала. На одной из боковых стенок основания закреплены: вентилятор, сетевая вилка типа IEC320 с тремя ножевыми контактами и аналогичная по конструкции розетка.

Подключение сетевого напряжения к блоку производится стандартным шнуром через вилку с тремя ножевыми контактами. Розетка, установленная на корпусе, является транзитным разъемом для подключения к ней шнура питания монитора или иного устройства. На эту розетку подается напряжение сети непосредственно от корпусной вилки. Разводка питания на вилке и розетке осуществляется на одноименные крайние контакты. Средние (третьи) выводы каждого из этих приборных частей разъемов соединены между собой. К средним контактам подпаян проводник с металлическим лепестком на конце. Лепесток механически соединяется с винтом, закрепленным на донной части основания. Таким образом выполняется подключение корпуса блока питания к контуру заземления через стандартный шнур питания.

Рядом с разъемами на той же боковой стенке установлен вентилятор, который используется для охлаждения элементов блока питания. Для прохождения направленного воздушного потока перед вентилятором в корпусе сделаны отверстия (круглые или в виде закругленных прорезей). Воздушный поток движется из внутренней полости корпуса источника наружу. Такое направление движения воздуха снижает уровень пылевого загрязнения, как блока питания, так и вычислительного средства, в котором он установлен.

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

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

На концах кабелей вторичных напряжений монтируются розетки разъемных соединителей трех типов.

Все розетки имеют собственный «ключ» для правильного соединения с ответной частью. Проводники для каждого номинала напряжения и логического сигнала снабжены индивидуальной цветовой маркировкой. Хотя к цветовой гамме проводников нет твердых требований, однако большинство производителей придерживается некоторой унификации.

Один 20-контактный разъем предназначен для подключения к системной плате персонального компьютера. Тип такого разъемного соединителя — M0LEX 39−01−2200 или аналогичный. Разводка разъема стандартизована. В табл.2 приведена разводка вторичных напряжений и служебных сигналов по контактам этого разъема.

С помощью четырехконтактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным AMP 1−480 424−0 либо MOLEX 8981−04 Р.

Таблица 2

Разводка системного питания компьютера

Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах этих разъемов следующие: 1 — желтый, +12 В; 2,3 — черные, общий; 4 — красный, +5 В.

Самые маленькие розетки разъемов типа AMP 171 822−4 предназначены для соединения с устройствами накопителей на гибких магнитных дисках. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для них следующие: 1 — красный, +5 В; 2, 3 — черный, общий; 4 — желтый, +12 В.

Как правило, на внешней стороне корпуса источника питания наклеена этикетка, на которой приведена цветовая маркировки проводников вторичного питания для данного изделия. В этом случае при работе следует использовать сведения, приведенные на этикетке.

В корпусе системного модуля компьютера блок питания крепится таким образом, что его стенка с установленными приборными частями разъемов и вентилятором выходят на тыльную сторону корпуса. Противоположная боковая стенка основания и кабели вторичных напряжений с разъемными соединителями находятся внутри корпуса системного модуля.

Поскольку первичное напряжение питания подается на входные цепи АТХ блока питания непосредственно, сетевой выключатель для него в компьютерной системе отсутствует.

Системная плата компьютеров АТХ конструктива содержит узел формирования маломощных сигналов для управления состоянием входной цепи PS-ON блока питания. Узел находится постоянно под напряжением, поступающим от специального каскада блока питания — автогенераторного источника для питания элементов схемы дежурного режима. Питание на узел подается независимо от режима работы остальной схемы компьютера. Включение/выключение блока питания и устройств компьютера производится коммутацией кнопки Switchpower, установленной на лицевой панели системного модуля компьютера.

1.4 Принцип работы блока питания DTKXAD 819ARпо блок-схеме

Входное переменное напряжение 220 В, 50 Гц поступает на входной каскад импульсного преобразователя напряжения — на сетевой фильтр. Этот узел предназначен для подавления помех, возникающих в промышленной сети переменного тока и проникающих на вход данного источника питания. В направлении от данного источника питания в сеть распространяются помехи, производимые самим преобразователем и частично импульсными устройствами электронной схемы вычислительного средства. Помеха такого рода является кондуктивной, то есть может распространяться в проводах питающей сети и по проводникам вторичного питания источника. Помехи, распространяющиеся по проводам, могут быть симметричными и несимметричными. Так как заранее вид помехи предсказать трудно, то схема фильтра строится в расчете на подавление обоих видов помех.

К выходу сетевого фильтра подключается выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме. В его состав входит селектор входного питающего напряжения — переключатель, установленный в корпусе источника питания. Позиции переключателя обозначены на его движке. Положение переключателя определяется по маркировке, которая видна через специальное окошко. С его помощью осуществляется выбор номинала напряжения питающей сети 115 или 220 В. Нагрузкой выпрямителя являются: полумостовой усилитель мощности основного высокочастотного преобразователя напряжения первичной сети и маломощная схема автогенераторного вспомогательного источника.

Во вторичную цепь АВИ включена схема линейного параметрического стабилизатора для формирования напряжения +5 В, обеспечивающая питание элементов компьютера в течение дежурного режима.

Для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности подключен импульсный трансформатор ТЗ. Позиционное обозначение трансформатора соответствуем принципиальной схеме источника питания. Импульсные напряжения с вторичных обмоток трансформатора поступают на блок выпрямителей В схемах выпрямителей вторичных напряжений используются диоды различных модификаций, что определяется номинальной токовой нагрузкой каждого отдельного канала. Во вторичном канале напряжения +3,3 В введен дополнительный стабилизатор. Регулировка и подстройка номиналов вторичных напряжений по всем каналам осуществляется с помощью системы обратной связи, вход которой подключен к выходам блока фильтров.

Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения. После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем, ШИМ каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении. В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Воздействие на ШИМ регулятор оказывается не только при изменении вторичных напряжений в пределах диапазона регулирования, соответствующего нормальной работе, но и в случае возникновения экстренной ситуации (неконтролируемого увеличения или снижения напряжений на нагрузке). Ключевая СИП воздействует на ШИМ модулятор блокируя его работу в случае возникновения аномальных процессов в цепи нагрузки.

1.5 Характеристика блоков импульсного блока питания DTK XAD 819AR

Сетевой фильтр предназначен для подавления помех, возникающих в промышленной сети переменного тока и проникающих на вход данного источника питания.

Выпрямитель — схема предназначенная для преобразования (выпрямления) переменного тока в пульсирующий. Выполнен по двухполупериодной мостовой схеме Гретца.

Усилитель мощности — усилитель электрических сигналов.

Трансформатор Т3 служит для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности.

Блок выпрямителей служит для выпрямления напряжения с вторичных обмоток трансформатора Т3.

Блок фильтров служит для выделения выходных напряжений.

Схема измерения перенапряжений является частью цепи защиты от перенапряжений.

ШИМ регулятор — преобразователь импульсов, действующий по принципу модуляции их ширины, является одним из основных каскадов импульсного источника питания. Принцип работы источника состоит в том, что от ШИМ регулятора зависит поступление всей энергии во вторичные цепи питания. Правильность же его работы определяют параметры стабилизации вторичных напряжений. Все основные преобразования ШИМ сигналов, а также их формирование осуществляется модулятором, выполненным на микросхеме типа TL494.

Согласующий каскад. Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения. После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем, ШИМ каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении. В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Автогенераторный вспомогательный источник является источником питания в дежурном режиме. Канал дежурного режима должен выдавать стабилизированное напряжение с номинальным значением +5 В постоянно, когда на источник питания подано первичное напряжение. Этот канал должен оставаться работоспособным, даже если остальные вторичные питающие напряжения отключены внешним сигналом высокого логического уровня, поданным на вход PS-ON источника питания. Напряжение дежурного канала необходимо для формирования самого сигнала PS-ON. Состояние дежурного режима может быть установлено, если существует необходимость запуска ПЭВМ через карту локальной сети (LAN-адаптер) или модем.

Стабилизатор канала 5VSB служит для обеспечения стабилизации напряжения +5VSB.

1.6 Описание схемы электрической принципиальной импульсного блока питания DTK XAD 819AR

Полная принципиальная схема представлена в графической части дипломного проекта

Все элементы на принципиальной схеме расположены на одной односторонней печатной плате. Здесь не показаны разъемы подключения сетевого питания и выключатель, который находится на системном модуле персонального компьютера.

Для защитного отключения схемы первичного преобразования входного напряжения при неисправностях во входной цепи перед помехоподавляющим фильтром установлен плавкий предохранитель. Наличие плавкого предохранителя обязательно и является выполнением соответствующего требования «Руководства

по проектированию источников питания" версия 0.9. Ток его срабатывания составляет 5 А при уровне питающего напряжения 250 В. Предельные параметры предохранителя выбраны с учетом технологического запаса. Необходимость выбора предохранителя с таким запасом обусловлена использованием емкостного фильтра, установленного после диодного выпрямителя. В соответствии с законом коммутации, напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно (скачком), то есть в начальный момент подключения преобразователя к питающей сети конденсаторы фильтра С5 и С6 представляют собой короткозамкнутые элементы. В этот момент через цепь входного фильтра происходит скачок тока, который снижается по мере зарядки этих конденсаторов. В процессе нормальной работы преобразователя общий ток потребления, протекающий через предохранитель, определяется величиной подключенной нагрузки и КПД источника. Типономинал предохранителя выбирается с учетом максимального первоначального броска тока. В качестве ограничителя пускового тока и для обеспечения плавной зарядки емкостей преобразователя используется терморезистор NTCR1. Терморезистор имеет отрицательный коэффициент сопротивления (обозначен на схеме — t) и соответственно при нагревании сопротивление этого резистора уменьшается. В исходном (холодном) состоянии терморезистор имеет сопротивление, равное нескольким омам, поэтому в начальный (пусковой) момент он выполняет функции ограничителя тока. В процессе работы схемы преобразователя происходит постепенный разогрев терморезистора, при этом его сопротивление снижается до нескольких десятых долей ома. В рабочем режиме он не оказывает заметного влияния не только на работу схемы, но и на его энергетические показатели источника питания.

Далее по схеме между предохранителем и диодным выпрямителем включен индуктивно-емкостной сетевой фильтр, выполненный на элементах С1, Т1, С2, Т5, СЗ и С4. Фильтр осуществляет функции помехоподавления как для внешних помех, проникающих из питающей сети на вход источника, так и для внутренних, возникающих при работе ВЧ преобразователя. В фильтре использованы индуктивные элементы, изготовленные с применением высокочастотных ферритовых сердечников — дросселей Т1 и Т5. Поскольку в современных аппаратных средствах вычислительной техники применяются импульсные устройства (цифровые логические элементы электронных схем, импульсные источники питания), основной спектр помех смещен в область частот с нижней границей 20−30 кГц. Помехи, проникающие в сеть от вычислительных средств, являются комбинацией частотных составляющих, появляющихся в результате импульсных помех преобразователя напряжения и информационных составляющих обрабатываемых данных. Для подавления несимметричных помех используется звено П-типа, состоящее из нескольких элементов: конденсатора С1, дросселя Т1 и конденсатора С2. Второе звено фильтра, выполненное на следующих элементах: конденсаторе С2, дросселе Т5 с двумя обмотками включенными навстречу друг другу (отмечено на схеме точками), конденсаторах С4 и СЗ, — предназначено для фильтрации симметричных помех. Элементы фильтра выбраны таким образом, что затухание помех по мере увеличения частоты их спектральных составляющих относительно частоты среза фильтра непрерывно возрастает. Энергия, накопленная в индуктивно-емкостных элементах входного фильтра, позволяет компенсировать

кратковременные сбои питающего. Точка соединения конденсаторов С4 и СЗ выведена на корпус и подключается к защитному заземлению. Подобная конструкция помехоподавляющего фильтра предполагает обязательное заземление корпуса прибора. Если этого не сделать, то на корпусе будет присутствовать потенциал, равный половине питающего напряжения.

В данном варианте схемы импульсного источника питания не применяется автоматическое опознавание номинала напряжения первичной питающей сети. Значение входного напряжения выбирает пользователь и устанавливает его коммутацией переключателя S l, который изображен на принципиальной схеме над сетевым диодным выпрямителем на элементах Dll — D14. При напряжении первичной сети равном 220 В средний контакт переключателя остается свободным и никуда не подключается. Если работа источника питания должна производиться с питанием от напряжения 115 В, то средний контакт переключателя при коммутации соединяется с точкой соединения конденсаторов С5 и С6. Рассмотрим, как переключатель действует на схему.

В положении переключателя, соответствующем входному переменному напряжению 220 В, в работе находятся все диоды двухполупериодного выпрямителя Dll — D14. Действующее значение выпрямленного напряжения, измеренного на положительной обкладке конденсатора С5 относительно отрицательной обкладки С6, составляет 220 В х 1,41 = 310 В. Именно на напряжения, близкие к данной величине, рассчитаны все рабочие режимы усилителя мощности, вторичные цепи и параметры стабилизации ШИМ формирователя. Если сохранять схему выпрямителя без изменения, то при переходе на питание от пониженного напряжения, то есть 115 В, действующее значение напряжения должно снизиться до уровня 115 В х 1,41 = 162 В. Для того чтобы значение выпрямленного напряжения не изменилось переключателем подключают один из фазных проводов первичной сети к точке соединения конденсаторов С5 и С6.

К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться особенно осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора С5 будет стремиться к значению 220 Вх1,41×2 = 620 В. Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра С5 и С6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В. Предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.

Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В. Условия работы схемы не будут выполнены и преобразователь не запустится.

Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания. Контроль уровня

входного напряжения выполняется с помощью двух варисторов Z1 и Z2, установленных во входной цепи источника питания. Варисторы — нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения. Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, — 07D241.

Первый варистор — Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.

Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов С5 и С6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора. Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжение на Z2, его сопротивление уменьшится и предохранитель F1 сгорит.

Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем. После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11 — D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами С5, С6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя. Последний выполнен на транзисторе Q3. Если выпрямленное питающее напряжение превышает 180 Вх 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3. В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Тб, к вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5VSB). Один вывод вторичной обмотки трансформатора Тб подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора Тб. Выпрямитель ШИМ формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода этого выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5VSB) образован диодом D8 и конденсатором С14 соответственно. При поступлении питания ШИМ преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности. Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме. Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени. Включение транзисторов в полумостовой схеме требует,

чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя. Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ регулятора.

С вторичных обмоток трансформатора ТЗ импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходит их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания. К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени.

2. Расчетная часть

2.1 Проверочный расчет радиоэлементов схемы электрической принципиальной

Рисунок 1 — Схема электрическая принципиальная импульсного преобразователя напряжения

Рисунок 12 — Структурная схема импульсного преобразователя напряжения

Исходные данные:

E = 14 В — напряжение источника питания

Uвх = 220 В — входное напряжение

Iвх = 1 A — Входная сила тока

Т= 50? С — рабочая температура

f = 5 кГц — рабочая частота

Выбор транзисторов производится по следующей методике:

Рассчитать максимальное значение коллекторного тока каждого транзистора.

= Рвых/?Е =UвхIвх/?= 220*1*/0,8*10 = 0,0275

где? — К.П.Д. преобразователя.

Рассчитать максимальное напряжение между коллектором и эмиттером каждого транзистора в двухтактной схеме.

|Uкэ макс| = 1,2*2Е=1,2*2*14 = 33,6 В

По значению Iк макс и Uкэ макс выбирать тип транзисторов. Выбираем транзистор КТ315Г со следующими параметрами:

Iк макс = 100 mA,

Uкэ макс = 35 В,

Рк макс = 150 мВт

Вычислить сопротивления делителя напряжения R1 и R2. Определить ориентировочное сопротивление резистора R1.

R1 = 4/Iб макс = 4*h21э / Iк макс * К нас = 4*20/2,5*2 = 16 Ом,

где Кнас = 2 — коэффициент насыщения.

Задаваясь падением напряжения на резисторе R1 равным 1 В, определить сопротивление резистора R2 по формуле:

R2 = = = 216 Ом

Выбрать емкость блокировочного конденсатора С1 равной 1 мкФ.

Расчет трансформатора необходимо проводить по следующей методике:

Определить габаритную мощность трансформатора по формуле:

Pr? 1,3*Uвх*Iвх? 1,3*220*1*? 0,286 В *А

Так как максимальная мощность составляет 25 Вт, выбрать трансформатор с тороидальным сердечником марки 50 НП.

Произвести расчет размеров сердечника трансформатора.

Qc*Qo =

Где Qc и Qo соответственно сечение стержня и окна сердечника, f — рабочая частота преобразователя, Bs — индукция насыщения сердечника, j — плотность тока в обмотке, Кс — коэффициент заполнения окна обмоткой, S — количество стержней сердечника.

Выбрав тороидальный сердечник из материала марки 50НП найти:

Qc*Qo = = 17,85

Ориентировочные значения ширины стержня a, внутреннего диаметра сердечника d и ширины ленты c определить по формулам:

а? 0,7? 0,7? 2,05 см;

d? 2a? 2*2? 05? 4,1 см;

с? 1,5 * а ?1,5 * 2,05 ?3,075 см;

Выбрав ленту со значением с = 3 (близким к расчетному) найти площадь сечения сердечника по формуле:

Qc = ac = 2,05 * 3 = 6,15

Определить число витков половины коллекторной обмотки трансформатора.

0,5Wк = = = 5 витков

Определить число витков половины базовой обмотки трансформатора.

0,5 Wб = 0,5 Wк = 5 *? 1 виток

Определить число витков выходной обмотки трансформатора.

Wв = 0,5Wк = = 5 = 82 витка

Определить действующее значение коллекторного тока.

Iк = = = 0,02 А

Определить базовый ток транзистора.

Iб = = = 0,001 А

Найти толщину провода коллекторной обмотки трансформатора.

= 1,13 = 1,13 = 0,03 мм

Найти толщину провода базовой обмотки трансформатора.

= 1,13 = 1,13? 0,007 мм

Найти толщину провода выходной обмотки трансформатора.

= 1,13 = 1,13? 0,3 мм

Проверка транзисторов производится по следующей методике:

Проверить выбранный транзистор по допустимой мощности рассеиваемой на коллекторе Pк макс. Для этого определить максимальную допустимую мощность при максимальной температуре 50? С по формуле:

Pк макс40 = 40? = 20?

Сравниваем Pк макс со средней мощностью, рассеиваемой на коллекторе каждого транзистора Рк ср. Получаем Рк макс = 2 Вт без дополнительного теплоотвода и Рк макс = 20 Вт с дополнительным теплоотводом.

Определить среднее значение мощности транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Рк ср = Ркотс + Рк нас + Рка? Рк нас + Рка? 0,625 + 0,7? 1,35 Вт

Так как среднее значение мощности транзисторов не превышает Рк макс= 2 Вт, то дополнительный теплоотвод не требуется.

2.2 Расчет надежности импульсного блока питания DTKXAD 819AR

Надёжность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течении требуемого промежутка времени. Надёжность является комплексным свойством, которое обуславливается качественными характеристиками и количественными.

Для большинства элементов аппаратуры вероятность безотказной работы может быть подсчитана по формуле:

P (t) =e^ (-лt)

При последовательном соединении элементов в структурной схеме надёжности, аппаратура будет работать безотказно, если не произойдёт отказ первого элемента структурной схемы, второго, третьего и т. д. Для нахождения вероятности безотказной работы всей последовательной схемы необходимо, очевидно, перемножить вероятности безотказной работы всех её элементов, т. е.

P (t) =p₁ (t) p₂ (t) …p_n (t) =e^ (-лnC1t) e^ (-л2t) …e^ (-лnt) =e^ (- (л1+л1*…*л1)) =e^ (-лt)

где Р (t) — вероятность безотказной работы аппаратуры; р1 (t), р2 (t) — вероятность безоткатной работы последовательно включенных в структурную схему элементов, л= л1+ л2+…+лn — интенсивность отказов аппаратуры, равная сумме интенсивностей отказов последовательно соединенных в структурной схеме элементов, е — основание натурального логарифма; t — заданное время работ схемы.

Нужные для расчёта интенсивности отказов значения А. определяют в зависимости от имеющихся данных и требуемой точности таким же образом, как и для отдельного элемента.

средняя наработка на отказ:

Тср =1/ лсх,

интенсивность отказа схемы:

лизд. =лnR+лnC+…+лплаты+лпайки,

где лn — интенсивность отказов всех элементов данной группы;

лплаты — интенсивность отказов печатной платы;

лпайки — интенсивность отказов всех паек;

Надежность элементов функционального модуля является одним из факторов, существенно влияющих на интенсивность отказа изделия в целом. Интенсивность отказов элементов зависит от конструкции, качества изготовления, от условий эксплуатации и от электрических нагрузок в схеме.

Коэффициент нагрузки для транзисторов, диодов, конденсаторов, керамических конденсаторов, резисторов и трансформаторов, для трансформаторов, индуктивностей и микросхем рассчитываются соответственно по формулам

К=Р/Р. мах,

К= U/Uн,

К=U/Uн,

К=Р/Рн,

К= I/Iн

К= Iвх/Iвх. н,

где Р — фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе, мВт.

Рмах — максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе, мВт

К = 175/250 = 0,7

К = 3/15 = 0,2

К = 540/600 = 0,9

К = 0,4/0,8 = 0,5

К = 40/50 = 0,8

К = 4,5 = 15 = 0,3

К = 0,7/1 = 0,7

К = 225/250 = 0,9

Для платы, пайки и разъемов берется усредненный коэффициент нагрузки: для платы — К=0,5, для пайки — К=0,9, для разъемов — К=0,7.

При увеличении коэффициента нагрузки, интенсивность отказа увеличивается. Интенсивность отказа увеличивается также, если радиокомпонент эксплуатируется в более жестких условиях: с повышенной температурой окружающего воздуха и влажности, увеличенных вибрациях, ударах и т. д. Исходные данные для расчета:

1. Схема Э3.

2. Перечень используемых компонентов ПЭ и ЭЗ.

3. Температура окружающей среды.

4. Фактическое значение параметра (Кн).

5. Конструктивные особенности радиокомпонентов.

Для удобства расчета, однотипные компоненты, находящиеся при одинаковых (близких) температурах и работающих при одинаковых (близких) электрических нагрузках, можно объединять в одну группу.

Исходные и расчетные данные заносятся в Таблицу

Таблица 3

Сводная таблица коэффициентов нагрузки элементов схемы

Интенсивность отказов при заданном значении температуры окружающей среды и нагрузки определяется по формуле:

л=л0*б Расчет ожидаемой надежности аппаратуры (не резервированных блоков), предназначенной для работы в течении заданного времени с момента включения, ведется по следующей методике.

1. Анализируется принципиальная схема с точки зрения надежности:

а) составляется структурная схема блока (с точки зрения надежности). В структурную схему включаются все элементы принципиальной схемы, отказ которых приводит к отказу аппаратуры;

б) составляется таблица режимов работы элементов схемы и из приложений определяются значения л — характеристик всех элементов.

2. Определяется ожидаемая интенсивность отказов аппаратуры или среднее время безотказной работы. Суммарная интенсивность отказов аппаратуры л с учетом условий эксплуатации определяется по формуле P (t) =e^ (-лt). Если известно Тср для элементов, то с помощью формулы л=1/Тср переходят к интенсивности отказов л.

3. По формуле P (t) =e^ (-лt) рассчитывается ожидаемая вероятность безотказной работы аппаратуры в течении заданного времени после включения.

л_э = 0,035 * 0,3 * 18 * 10^-6 = 0,189 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,15 * 0,35 * 10 * 10^-6 = 0,525 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,2 * 1,0 * 34 * 10^-6 = 6,8 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,013 * 1,0 * 4 * 10^-6 = 0,052 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,5 * 0,4 * 11 * 10^-6 = 2,2 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,34 * 0,75 * 6 * 10^-6 = 1,53 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,03 * 0,5 * 55 * 10^-6 = 0,825 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,004 * 0,25 * 1 * 10^-6 = 0,001 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,08 * 0,54 * 5 * 10^-6 = 0,216 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,5 * 0,9 * 1 * 10^-6 = 0,45 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,001 * 1 * 347 * 10^-6 = 0,347 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,7 * 0,5 * 1 * 10^-6 = 0,35 * 10^-6, 1/ч Таблица 3.1

Данные расчета интенсивности отказов при t°= 20° С

л_э = 0,035 * 0,4 * 18 * 10^-6 = 0,252 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,15 * 0,6 * 10 * 10^-6 = 0,9 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,2 * 1,45 * 34 * 10^-6 = 9,86 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,013 * 3,2 * 4 * 10^-6 = 0,1664 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,5 * 2,2 * 11 * 10^-6 = 12,1 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,34 * 0,75 * 6 * 10^-6 = 1,53 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,03 * 1,3 * 55 * 10^-6 = 2,145 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,004 * 0,25 * 1 * 10^-6 = 0,001 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,08 * 0,54 * 5 * 10^-6 = 0,216 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,5 * 0,9 * 1 * 10^-6 = 0,45 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,001 * 1 * 347 * 10^-6 = 0,347 * 10^-6, 1/ч л_э = 0,7 * 0,5 * 1 * 10^-6 = 0,35 * 10^-6, 1/ч Таблица 3.2

Данные расчета интенсивности отказов при t°= 60° С

2.2.1 Расчет вероятности безотказной работы

л_{? 20} = (0,189 + 0,525 + 6,8 + 0,052 + 2,2 + 1,53 + 0,825 + 0,001 + 0,216 +

0,45 + 0,347 + 0,35) * 10^-6 = 13,485 * 10^-6, 1/ч

л_{? 60} = (0,252 + 0,9 + 9,86 + 0,1664 + 12,1 + 1,53 + 2,145 + 0,001 + 0,216 +

0,45 + 0,347 + 0,35) * 10^-6 = 28,3174 * 10^-6, 1/ч

Т_ср.20 = 1/13,485 * 10^-6 = 74 156,47, ч

Т_ср.60 = 1/28,3174 * 10^-6 = 35 313,98, ч

При 20°С:

P (20 000) = e^{0,13 485*20000} = 0,7634

P (40 000) = e^{0,13 485*40000} = 0,5827

P (60 000) = e^{0,13 485*60000} = 0,4449

P (80 000) = e^{0,13 485*80000} = 0,3396

P (Т_ср.) = e^{0,13 485*74156,47} = 0,3679

При 60°С:

P (20 000) = e^{0,283 174*20000} = 0,5655

P (40 000) = e^{0,283 174*40000} = 0,3230

P (60 000) = e^{0,283 174*60000} = 0,1827

P (80 000) = e^{0,283 174*80000} = 0,1033

P (Т_ср.) = e^{0,283 174*35313,98} = 0,3679

Рисунок 3 — Вероятность безотказной работы при t°= 20°, t°= 50°

2.2.2 Расчет ремонтопригодности компьютерного импульсного блока питания DTKXAD 819AR

В том случае, если по условиям эксплуатации допускается мелкий текущий ремонт аппаратуры, надежность её будет определяться не только способностью безотказно работать, но и тем, как быстро могут быть устранены отказы. Это свойство называется ремонтопригодностью аппаратуры. Ремонтопригодность аппаратуры обеспечивается наличием контрольных гнезд в узловых точках принципиальной схемы дл я включения измерительных приборов, наличием запасных блоков и субблоков, наличием ЗИП, расположением монтажа, обеспечивающим доступ для ремонта любой части схемы, удобством конструкции и другими мерами, направленными на облегчение и ускорение поиска места неисправности и её устранения.

Поскольку такая аппаратура в течение некоторого времени эксплуатации будет находиться в состоянии ремонта, количественный критерий её надежности должен учитывать, какой процент от времени эксплуатации аппаратура находится в исправном состоянии. Для оценки этого отношения служит коэффициент готовности.

Кг = Тср / (Тср + Тв)

где Тв — среднее время ремонта аппаратуры, ч; Кг — есть вероятность того, что в любой момент времени аппаратура исправна

Кг1 = 74 156,47/ (74 156,47 + 4,42) = 0,99

Кг2 = 35 313,98/ (35 313,98 + 4,42) = 0,99

Количественный критерий надежности ремонтируемой аппаратуры определяется произведением вероятности исправного состояния в любой момент времени на вероятность безотказной работы в течении заданного времени, т. е.

R (t) = KuP (t) = Тср / (Тср + Тв)

Соотношение определяет вероятность того, что аппаратура проработает безотказно в течении заданного интервала времени, начиная с любого момента времени. При температуре 20°С:

R (20 000) = 0,99 * 0,7634 = 0,7598

R (40 000) = 0,99 * 0,5827 = 0,5768

R (60 000) = 0,99 * 0,4449 = 0,4404

R (80 000) = 0,99 * 0,3396 = 0,3362

R (Tср) = 0,99 * 0,3679 = 0,3642

При температуре 60°С:

R (20 000) = 0,99 * 0,5655 = 0,5598

R (40 000) = 0,99 * 0,3230 = 0,3197

R (60 000) = 0,99 * 0,1827 = 0,1808

R (80 000) = 0,99 * 0,1033 = 0,1022

R (Тср) = 0,99 * 0,3679 = 0,3642

Ниже на графике (рисунок 3.1) изображен количественный критерий надежности ремонтируемой аппаратуры.

Рисунок 3.1 — Количественный критерий надежности ремонтируемой аппаратуры

2.3 Расчет стоимости ремонта компьютерного импульсного блока питания DTKXAD 819AR

Определение годового приведенного количества ремонта на участке.

N — это условное количество устройств, трудоемкость которых равна трудоемкости восстановления и ремонта всех устройств, закрепленных за участком. Nопределяется исходя производственной мощности и рационального использования оборудования по формуле:

где:

— коэффициент загрузки оборудования, принимаемый равным 0,8−0,85, что характеризует достаточно полное использование оборудования и наличие необходимого резерва времени;

— действительный годовой фонд времени работы оборудования, час.;

шк — норма времени на ремонт блока, мин

Nгод округляется в большую сторону для удобства расчетов.

шт.

Nгод принимается равным 300 шт.

Действительный фонд времени работы оборудования определяется:

Fд = Fн* Ксм * (1 — б), час., где

Fн — номинальный фонд времени работы, т. е. время, которое может быть использовано в течение года при работе в одну смену, час.

Ксм — количество смен на участке Ксм = 1

— коэффициент переналадки и ремонта оборудования = 0,08−0,10

Fн = ((Дк — (Дв + Дпр)) * tн — (Дпв +Дппр) * tсокр, (час)

где:

Дк — количество календарных дней в году (366);

Дв — количество выходных дней в году (105);

Дпр — количество праздничных дней в году (15);

tсм — продолжительность смены, час (8);

Дпв — предвыходные дни (52)

Дппр — предпраздничные дни (6);

tсокр — величина сокращения рабочего дня = 1 час.

Fн = ((366 — (105+15)) * 8 — (52+16) * 1 = 1910

Fд = 1910 * 1 * (1 — 0,1) = 1719

Определение потребного количества рабочих мест и коэффициента загрузки.

Sрасч=, шт.

Где

Т — норма времени, мин.

Квн — коэффициент выполнения норм, принимается равным 1,0 — 1,1.

(должно получиться 1 рабочее место).

Расчётное количество рабочих мест (дробное) округляется в большую сторону, таким образом, получают принятое количество рабочих мест Sпр.

Коэффициент загрузки Кз на определяется по формуле:

К_з =;

Sрасч = = 0,82, шт.

Принимаем Sпр = 1

Кз = = 0,82;

Расчет численности основных рабочих

Расчёт численности производственных рабочих Росн производится для блока, исходя из трудоёмкости работ за год по формуле:

чел.

где

Квн — планируемый коэффициент выполнения норм, принимается равным 1,0 — 1,1

Fэф — эффективный годовой фонд времени рабочего, час

Эффективный годовой фонд времени производственного рабочего определяется:

Fэф = ((Дк — (Дв + Дпр+Дотп+Ддо+Дст+Дб+Дго)) * tн — (Дпв +Дппр) * tсокр,

где:

Дк — количество календарных дней в году;

Дв — количество выходных дней в году;

Дпр — количество праздничных дней в году;

Дотп — количество дней очередного отпуска (28);

Ддо — количество дней дополнительного отпуска (3);

Дст — дни отпуска за стаж работы (2)

Дб — дни неявок по болезни (6)

Дго — дни выполнения гос. обязанностей (3)

tн — нормативная продолжительность рабочего дня (8,2 часа)

Дпв — предвыходные дни

Дппр — предпраздничные дни

tсокр — величина сокращения рабочего дня (1 час)

Fэф= (366 — (105 + 15 + 28 +3 + 2 + 6 + 3)) * 8,2 — (52 + 6) * 1 = 1615 час.

= 0,87 => 1 чел.