Лекции_ТСПС_2013студентам. Курс лекций по дисциплине Технические средства предприятий сервиса
 Скачать 25.3 Mb.
|
|
Паяльные станции фирмы Metcal. В паяльных станциях фирмы Metcal (США) также используется метод нагрева токами высокой частоты, но стабилизация температуры жала обеспечивается за счет эффекта зависимости магнитной восприимчивости ферромагнитного сплава, из которого сделано жало, от температуры. На рис. 4 показана кривая такой зависимости магнитной восприимчивости Js от температуры Т. С ростом температуры магнитная восприимчивость уменьшается и при температуре в, называемой точкой Кюри резко падает до нуля. Ясно, что при достижении этой температуры дальнейший разогрев жала токами ВЧ невозможен, поэтому точка Кюри будет максимально возможной температурой жала для индукционного паяльника. Для железа точка Кюри равна 770°C, для никеля 358°C, что находится за пределами рабочих температур пайки, поэтому температура ВЧ-паяльников Quick ограничивается (и регулируется) с помощью термосенсора и электронной схемы управления. Если же в сплав добавить некоторые редкоземельные элементы, то можно существенно понизить температуру точки Кюри, например, для элемента гадолиния точка Кюри равна всего 16°С. Задавая величину примесей в сплаве можно создать жала для паяльников с любой требуемой точкой Кюри. Термосенсоры и схемы обратной связи здесь не нужны и выбор требуемой температуры для пайки сводится просто к выбору жала с требуемой точкой Кюри в зависимости от условий пайки. Так поступили разработчики паяльных станций Metcal (рис. 5) при создании паяльных станций, запатентовав данную технологию под маркой SmartHeat®. Достоинством этого метода является абсолютная стабильность рабочей температуры жала, отсутствие необходимости в калибровках и пр., а также отсутствие всякого риска перегреть жало и повредить печатную плату и элементы. Кроме того, такая паяльная станция может быть выполнена в форме обычного паяльника с напряжением от сети. Недостатком Metcal является необходимость иметь весьма широкий ассортимент картриджей (жало + индукционная катушка) для различных условий пайки: для обеспечения требуемой скорости нагрева нужно выбирать картридж одной из четырех серий с различной нагревательной способностью: 500, 600 700 или 800-ой. Цифры соответствуют температуре картриджа (точке Кюри) в градусах по шкале Фаренгейта. При изменении тепловой нагрузки, например, площади контакта для пайки необходимо менять картридж, причем в жестких условиях бессвинцовой пайки такие замены становятся более частыми. Другим недостатком является высокая стоимость картриджей и самих паяльных станций Metcal. Это - плата за 100% гарантию от перегрева (при условии соблюдения рекомендаций по картриджам): электронные схемы регулирования температуры, как и любые другие, могут выйти из строя и поэтому не могут дать этих абсолютных 100%. Для Пентагона этот аргумент и был решающим в пользу выбора Metcal - американских военных высокая цена и дополнительная трудоемкость не смущают. В отличие от Пентагона большинство пользователей работает с паяльными станциями, использующими схемы электронной стабилизации температуры, как наиболее удобными и экономически оправданными. Для таких пользователей индукционные паяльные станции фирмы Quick с электронной температурной стабилизацией и доступной ценой могут стать выбором, способным удовлетворить самые жесткие требования к пайке при переходе на технологию Lead-Free. Обзор рынка паяльного оборудования На рынке паяльного оборудования можно найти предложения от различных производителей — PACE, WELLER, ERSA, HAKKO. Собственно, он ими и сформирован. Они определяют, что такое хорошо или что такое плохо. Фирмы соревнуются между собой во внедрении передовых технологий, различных методов управления нагревом пальника, от импульсного разогрева до использования в качестве нагревателя феррита. Для управления могут использоваться различные типы сенсоров. Обычно они располагаются на конце нагревательного элемента и контролируют его температуру, а температура наконечника устанавливается с учетом тепловых потерь в нем. Это стандартное построение паяльника, но есть разновидности этой схемы. Фирма ERSA предложила способ управления с помощью термопары K-типа. Последняя находится вне нагревательного элемента и контролирует температуру наконечника. Способ интересный, но требует применения специальных технологий. Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт с наконечником, для чего на его внутреннюю поверхность напыляется серебро. Также нужно предотвратить окисление термопары, которое приводит к ошибкам в установке температуры и перегреву наконечника. Управление такими системами осуществляют микропроцессоры. Естественно, стоимость подобной паяльной станции довольно высока. Альтернативный способ управления — нагревательный элемент совмещен с самим наконечником, который выпускается на заранее определенную температуру. Технология SMARTHEAT фирмы METCAL Нагревательный элемент состоит из двух основных частей — источника тока и термоэлемента. Радикальная разность между этим и стандартным нагревательными элементами — то, что сам термоэлемент определяет и сохраняет жестко заданную заранее температуру. Температура элементов фирмы Metcal зависит от электрических и металлических характеристик двух различных металлов, одним из которых является материал с высоким тепловым сопротивлением и удельной электропроводностью, другой — магнитный материал с относительно высоким сопротивлением. Когда через элемент пропускается переменный ток низкой частоты, он, естественно, будет течь через все проводящее сечение. Однако увеличение частоты до 13,5 МГц приводит к росту тока во внешнем (магнитном) нагревателе. Это явление протекания тока высокой частоты через магнитный слой с высоким сопротивлением, известное как «скин-эффект», способствует быстрому нагреву. Как только наружный слой достигает заданной температуры (предопределенной материалом ее элементов), происходит другое явление — магнитные характеристики слоя ухудшаются. Эта температура названа точкой Кюри магнитного материала. В момент ее достижения магнитное сопротивление проводящего сердечника уменьшается, что приводит к снижению нагрева. При остывании магнитное сопротивление вновь возрастает, и ток через нагреватель опять увеличивается, и т. д. Таким образом, температура нагревателя поддерживается почти равной точке Кюри. В результате получается система, которая не требует никакой калибровки. Существуют области применения паяльного оборудования, где необходима точность установки температуры до 1°C и ее компьютерный контроль. Но большинство задач не требуют использования высокоточного инструмента. Основной критерий для них— температурная стабильность жала паяльника. Для подобных задач применение элементов фирмы Metcal является идеальным решением. Решения фирмы XITRONIC Обратимся к фирме XYTRONIC. Она более 20 лет выпускает паяльное оборудование для производства и ремонта изделий электронной техники. Штаб-квартира XYTRONIC INDUSTRIES, LTD. находится на Tайване — в стране, являющейся ведущим поставщиком паяльных станций. XYTRONIC предлагает продукцию широкого спектра: от профессиональных паяльников и паяльных станций до систем для демонтажа. Выпускаемые паяльники имеют мощность от 60 до 150 Вт и регулируемый диапазон температур (150–450°С). Они находят применение во всех сборочных операциях. Станции могут иметь аналоговые или цифровые системы задания температуры. Сегодня изделия фирмы XYTRONIC экспортируются во многие страны. Приблизительно 50 % продукции продается под эмблемой XYTRONIC. 90 % изделий экспортируется в США, Канаду, Австралию, Японию и Западную Европу. В настоящее время компания поставляет паяльное оборудование корпорации Philips N.V. Список клиентов XYTRONIC включает также IBM, Logitech, Taiwan Delta, General Instruments, Digital Equipment Corp., Siemens, Hewlett Packard, что говорит о качестве паяльного оборудования. В 1980 году фирма запатентовала оригинальный метод электронного управления температурой паяльника. Метод гарантировал высокое качество и надежность пайки. Подобный паяльник идеально подходит для служб ремонта и обслуживания электронной техники, а также для производства, где используется ручная сборка электронных устройств. Рассмотрим паяльную станцию 137 ESD (рис. 1).  Рис. 1 Станция имеет 60-ваттный паяльник 107ESD с металлокерамическим нагревательным элементом, управляемый электронным блоком. Схема управления использует P.Т.С. сенсор, находящийся на конце нагревательного элемента. Температурный сенсор немедленно реагирует на изменение температуры и обеспечивает дополнительный нагрев жала при снижении его температуры во время интенсивного отвода тепла при быстрой пайке большого количества контактных площадок или массивных деталей. Система отличается отсутствием перерегулирования и гарантирует высокую скорость нагрева и хорошую стабильность температуры нагревательного элемента. Пальник 107ESD выполнен с учетом всех современных требований и весит всего 190 граммов (рис. 2).  Рис. 2 Нагревательный элемент располагается в наконечнике паяльника, что обеспечивает максимальную теплопередачу. Кроме того, поскольку элемент расположен на достаточном расстоянии от рукоятки, не происходит перегрева рукоятки паяльника. Последняя имеет резиновое кольцо, предохраняющее пальцы от соскальзывания во время работы. Нагрев жала до температуры 250°С осуществляется за 30 секунд. Нагревательный элемент изготовлен японской фирмой HAKKO и имеет высокую надежность и долговечность в сравнении со стандартными нихромовыми проволочными нагревателями (рис. 3). Диапазон регулирования температуры паяльника от 200 до 450 градусов.  Рис. 3 Достаточен ли такой диапазон регулирования? Для ответа на этот вопрос вспомним, что у припоя марки Sn63Pb37 плавление начинается при температуре 180°С (рис 4). Остальные марки характеризуются еще более высокой точкой плавления.  Рис. 4 Следовательно, жало с температурой 200°С соответствует припоям марки Sn*/Pb*. Конечно, существуют и низкотемпературные припои, но употребление их крайне ограничено. В основном при производстве электронных устройств используется припой марок Sn63/Pb37 и Sn60/Pb40. Наконечники для станций XYTRONIC выполнены из гальванической меди, покрытой слоями железа и хрома, рабочая часть их облужена оловом (рис. 5).  Рис. 5 Спектр предлагаемых наконечников весьма разнообразен — от конических диаметром 0,4 мм до жал специальной формы «МИНИ–ВОЛНА» для монтажа PQF-элементов. Технология пайки микросхем жалом «МИНИ–ВОЛНА» неоднократно описывалась. Но существуют несколько моментов. Для достижения хороших результатов не рекомендуется использовать припои, содержащие канифоль. Большое значение при пайке имеет также угол наклона жала — оптимальный результат достигается только после определенной тренировки. Демонтаж микросхем Современные паяльные станции не только увеличили производительность труда при сборке, но превратились также и в незаменимый инструмент для ремонтника, одной из основных операций которого является демонтаж элементов. Существуют два способа демонтажа SMD компонентов — контактный и конвекционный. Оба доказали свою состоятельность и право на жизнь. Основным на сегодняшний день является контактный способ, предлагаемый фирмами METCAL, PACE, WELLER, ERSA, HAKKO и XYTRONIC. Технология этого способа заключается в том, что для отпайки используются насадки, повторяющие конфигурацию корпуса микросхемы. Наибольшее количество различных насадок к паяльнику предлагают фирмы PACE и METCAL. Для каждого типоразмера применяются индивидуальные насадки, учитывающие форму выводов элементов (рис. 6).  Рис. 6 Насадка используется только как теплоноситель, для отпайки же используется расплавленный припой. Количество припоя на насадке и его теплоемкость выше, чем у припоя, находящегося на контактных площадках электронного компонента, благодаря чему и демонтируется микросхема. Выводы микросхемы касаются расплавленного припоя на насадке, и моментально припой, находящийся на контактах микросхемы, расплавляется и смешивается с насадочным. Небольшие микросхемы прилипают к наконечнику из-за сил поверхностного натяжения и поднимаются без дополнительной помощи. Время отпайки занимает около 10 секунд, микросхема успевает прогреться всего до 60°С, а плата — до 45°С. Припой можно наносить не на насадку, а предварительно залить им выводы микросхемы или нанести на них паяльную пасту. XYTRONIC предлагает таким способом демонтировать микросхемы, имеющие корпуса типа SOP, SOIC, PLCC, QFP, а также CHIP-компоненты и микросхемы в корпусе DIP (рис. 7).  Рис. 7 В последнем случае используются насадки, имеющие специальные канавки для заполнения их припоем. Насадка устанавливается на выводы микросхемы с обратной стороны платы. Припой в отверстиях расплавляется, и микросхему можно поднять пинцетом. Процесс занимает 15 секунд. Очистить выводы микросхемы и контактные площадки можно с помощью плетенки и паяльника с широким наконечником. Установка насадок для отпайки SMD осуществляется при помощи адаптера с резьбовым соединением. Все насадки устанавливаются на адаптер. Перед демонтажом обязательно производить предварительное флюсование микросхем, чтобы снять оксидную пленку с контактов. Описанные насадки для демонтажа микросхем к паяльнику 137ESD позволяют вам обойтись без использования дополнительных дорогостоящих термоинструментов, которые повлекут покупку паяльного оборудования, стоимостью в 2–3 раза дороже. Типы демонтируемых микросхем зависят только от мощности паяльника, так как каждый дополнительный квадратный сантиметр площади микросхемы приводит к уменьшению температуры на 10°С. Поэтому фирма PACE рекомендует вводить прекомпенсацию потерь на наконечнике до 60°С! При демонтаже микросхем этот фактор нужно учитывать. Паяльные станции разных фирм используют одинаковую технологию демонтажа. Отличие состоит лишь в способе управления температурой наконечника паяльника и в точности установки температуры. Погрешности последней могут быть скомпенсированы использованием внешнего температурного калибратора. Паяльная станция 137ESD XYTRONIC при низкой стоимости (всего 125 $) функционально не уступает дорогостоящим аналогам, позволяя решить большинство проблем с монтажом и демонтажом SDM-микросхем. Большой выбор дополнительных наконечников значительно расширяет ее функциональные возможности. Техника контроля качества современных печатных узлов Современные печатные узлы (ПУ) содержат множество спрятанных от глаз деталей. Для их контроля, наряду с внутрисхемными тестерами, которые продолжают играть значительную роль в контроле ПУ, требуется дополнительное контрольное оборудование. Информация от этого оборудования должна поступать в сеть, быстро и точно указывая области потенциальных отказов. Типичный процесс контроля ПУ начинается с оптической проверки паяльной пасты – ее распределения по правильному рисунку в требуемом объеме. Затем следует процесс оптического контроля укладки по плате исправных компонентов. Далее – контроль после расплавления припоя, осуществляемый оптическим или рентгеновским оборудованием. Последнее способно обследовать паяные соединения под компонентами, а также обнаруживать внутри шариков припоя пустоты, которые могут привести к отказам. После завершения этих этапов проводится электрический внутрисхемный контроль – процедура, аналогичная той, что проводилась и восемь лет назад, но разница в том, что теперь большинство проверяемых точек находится под BGA-компонентами или внутри многослойной платы. Здесь внутрисхемному контролю необходима помощь периферийного сканирования, обеспечивающего доступ к невидимым точкам контроля. Наконец, ПУ проходит функциональный контроль. Обычно функциональные тестеры сопрягаются с контролируемым ПУ через торцевой соединитель. 2.5 Источники питания, применяемые на предприятиях сервиса 2.5.1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Для работы большинства электронных устройств необходимо наличие одного или нескольких источников питания (ИП) постоянного тока. Источники первичного электропитания. К данной группе ИП относятся: 1) химические источники тока (гальванические элементы, батареи и аккумуляторы); 2) термобатареи; 3) термоэлектронные преобразователи; 4) фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи); 5) топливные элементы; 6) биохимические источники тока; 7) атомные элементы; 8) электромашинные генераторы. Химические источники тока (ХИТ) широко используются для питания маломощных устройств и аппаратуры, требующей автономного питания.Батареи и аккумуляторы являются также вспомогательными и (или) резервными источниками энергии в устройствах, питающихся от сети переменного тока. Выходное напряжение таких источников практически не содержит переменной составляющей (пульсаций), но в значительной степени зависит от величины тока, отдаваемого в нагрузку, и степени разряда. Поэтому в устройствах, критичных к напряжению питания, химические источники тока используются совместно со стабилизаторами напряжения. Термобатареи состоят из последовательно соединенных термопар. Термобатареи используются в качестве ИП малой мощности, например для питания радиоприемников. В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру, благодаря чему создается термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника. Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а следовательно, не дает возможность получить большую термо-ЭДС. Лучшие результаты дает использование в термогенераторах полупроводниковых термопар, или комбинированных, состоящих из проводника и полупроводника. В термопаре, состоящей из полупроводников с n- и p- проводимостями, при нагревании спая количество электронов в полупроводнике n-типа и число дырок в полупроводнике p-типа увеличивается. Электроны и дырки вследствие диффузии в полупроводниках движутся от горячего слоя термопары к холодному. Перемещение дырок приводит к тому, что горячий конец полупроводника p-типа заряжается отрицательно, а холодный конец - положительно. В полупроводнике n-типа электроны, переходя от горячего конца к холодному, так же как, и в металле, заряжают горячий конец положительно, а холодный конец – отрицательно. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно больше термо-ЭДС металлической пары. Термоэлектронные преобразователи представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Эмитированные катодом электроны движутся к аноду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение анода. В зависимости от температуры нагрева катода термоэлектронные преобразователи делятся на низкотемпературные (1200 – 1600°С) и среднетемпературные (1900 – 2000°С). У среднетемпературных преобразователей КПД достигает 20%, что более чем в 2 раза превышает КПД термобатарей. Фотоэлектрические преобразователи осуществляют преобразование тепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую. Солнечные батареи представляют собой ряд фотоэлементов, соединенных между собой определенным образом. Фотоэлектрические преобразователи используются в качестве источника электрической энергии для питания маломощной радиоаппаратуры, а также для питания радиотехнической и телеметрической аппаратуры на спутниках Земли и на автоматических межпланетных станциях. Солнечные батареи просты, имеют очень большой срок службы и работают в большом диапазоне изменения температур. Топливные элементы осуществляют непосредственное преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восстановление кислорода происходит на разных электродах. Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПД преобразователя. В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам. Биохимические источники тока можно рассматривать как разновидность топливных элементов, так как в них протекают подобные окислительно-восстановительные процессы. Отличие биохимических элементов от топливных состоит в том, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводов и углеродов. Атомные элементы применяются для питания маломощных устройств. Конструкция таких ИП различна в зависимости от принципа их действия. В элементах, использующих β- излучение, на внутреннем электроде размещается радиоактивный изотоп стронция 90. Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик или вакуум. Под действием β-лучей на электродах создаются заряды. Напряжение в таких элементах может достигать нескольких киловольт, а внутреннее сопротивление очень велико (порядка 1013 Ом). Разрядный ток не превышает одного миллиампера. Достоинством таких элементов является очень большой срок службы. В элементах, использующих контактную разность потенциалов, применяются электроды в виде пластинок из различных материалов. Одна из пластин покрыта двуокисью свинца, другая изготовлена из алюминия. Между электродами находится смесь инертного газа и радиоактивного трития. Под действием излучения происходит образование ионных пар. Напряжение между электродами определяется контактной разностью потенциалов. Под действием этого напряжения положительно и отрицательно заряженные ионы перемещаются к электродам. В элементах с облучаемыми полупроводниками радиоактивное вещество наносится на поверхность полупроводника (кремния). Излучаемые электроны, имеющие большую скорость, выбивают из атомов полупроводника большое количество электронов. В результате односторонней проводимости между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает ЭДС величиной нескольких десятых долей вольта. Внутреннее сопротивление таких элементов 100 – 1000 Ом, КПД может достигать нескольких процентов. Недостатком является малый срок службы следствие разрушения полупроводника под действием радиации. Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Они делятся на генераторы постоянного и переменноготока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные генераторы, действие которых основано на использовании вращающегося магнитного поля. В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной частоте, то есть когда частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля. В асинхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при асинхронной частоте, то есть когда частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля. Источники вторичного электропитания. Они представляют собой функциональные узлы РЭА или законченные устройства, использующие энергию, получаемую от системы электроснабжения или источника первичного электропитания и предназначенные для организации вторичного электропитания радиоаппаратуры. Классификация источников вторичного электропитания. Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 1. По типу питающей цепи: 1.1 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока; 1.2 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока; 1.3 ИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока. 2. По напряжению на нагрузке: 2.1 ИП низкого (до 100 В) напряжения; 2.2 ИП среднего (от 100 до 1000 В) напряжения; 2.3 ИП высокого (свыше 1000 В) напряжения. 3. По мощности нагрузки: 3.1 ИП малой мощности (до 100 Вт); 3.2 ИП средней мощности (от100 до 1000 Вт); 3.3 ИП большой мощности (свыше 1000 Вт). 4. По роду тока нагрузки: 4.1 ИП с выходом на переменном токе; 4.2 ИП с выходом на постоянном токе; 4.3 ИП с выходом на переменном и постоянном токе. 5. По числу выходов: 5.1 одноканальные ИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока; 5.2 многоканальные ИП, имеющие два или более выходных напряжений. 6. По стабильности напряжения на нагрузке: 6.1 стабилизированные ИП; 6.2 нестабилизированные ИП. Стабилизированные источники питания имеют в своем составе, по крайней мере, один стабилизатор напряжения (тока) и могут быть разделены: а) по характеру стабилизации напряжения: - ИП с непрерывным регулированием; - ИП с импульсным регулированием. б) по характеру обратной связи: - параметрические; - компенсационные; - комбинированные; в) по точности стабилизации выходного напряжения: - ИП с низкой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность выходного напряжения более 2 – 5%); - ИП со средней стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность не более 0,5 – 2%); - ИП с высокой нестабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность до 0,1 – 0,5%); - Прецизионные ИП (суммарная нестабильность менее 0,1%). Примечание: к вторичным источникам питания (вторичным элементам) принято относить также аккумуляторы, хотя деление ХИТ на первичные и вторичные условно (аккумуляторы могут использоваться и для однократного разряда). Параметры источников вторичного электропитания. 1. Номинальные выходные напряжения и токи. 2. Нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации. 3. Максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных цепей ИП. Для источников питания с выходом на переменном токе задаются максимальное, минимальное и номинальное значения полной мощности (в вольт-амперах) S = U / Z (где U – действующее значение напряжения на нагрузке, Z- модуль полного сопротивлениянагрузки) и соответствующие значения коэффициентов мощности нагрузки cos ϕ=R/Z, где R-активное сопротивление нагрузки. 4. Номинальное значение тока, потребляемого ИП от сети электропитания или первичного источника питания электроэнергией. Для ИП, работающего в режиме изменяющейся нагрузки, задаются номинальное, максимальное и минимальное значения мощности, потребляемой от первичного ИП. 5. Для ИП, питающихся от сети (или источника) переменного тока, коэффициент мощности cosϕ = P / S ,где P - активная составляющая полной мощности, потребляемой ИП от первичной сети. Для нагрузок постоянного тока cos ϕ = 1, так как P = S . 6. Коэффициент полезного действия в номинальном режиме 7. Внутреннее сопротивление ИП, равное численному значению отношения изменения выходного напряжения ∆Uвых к вызвавшему его изменению тока нагрузки (выходного тока) ∆Iвых (рис. 1.1.) 8. Уровень пульсаций выходного напряжения Uп и/или коэффициент пульсаций Кп Кп = Uп/Uo, где Uп, Uо – переменная и постоянная составляющие выходного напряжения. Иногда определяют Кп как отношение удвоенного значения Uп к Uо.  Рис. 1.2. Временная диаграмма выходного напряжения источника питания с выходом на постоянном токе. Линейные и импульсные источники вторичного электропитания. Как отмечалось выше, стабилизированные ИП по характеру стабилизации напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) и импульсным регулированием. Аналогично любые (стабилизированные или нестабилизированные) ИП принято делить на линейные и импульсные. В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется (рис.1.3.). В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты. В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, засчет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.  Рис. 1.3. Упрощенная функциональная схема линейного стабилизированного источника питания. Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения. Импульсные ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение питающей сети переменного тока без использования первичного силового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток коммутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высокочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется (рис.1.4).  Рис 1.4 Упрощенная функциональная схема импульсного источника питания В – выпрямитель; ФНЧ – фильтр низкой частоты; КРЭ – ключевой регулирующий элемент; Т – трансформатор. Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируемым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по напряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение (управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 кГц и выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты. Достоинством импульсных ИП является высокий КПД – 60 – 80% (КПД линейных ИП, как правило, не превышает 40 – 50%). Для питания РЭА используются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве ИП: преобразователь − переменный ток/постоянный ток (AС-DС конверторы), преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь − постоянный ток/переменный ток (DC-AC преобразователь или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения. Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут: 1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение; 2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения). DC-DC конверторы используют принцип действия импульсных ИП, но применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напряжение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Такие преобразователи используются, большей частью, там, где РЭА должна питаться от химического источника тока или другого автономного источника постоянного тока. Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого ИП или батареи. Другое распространенное применение для DC-DC конверторов, это преобразование напряжения батареи (1.5, 3.0, 4.5, 9, 12, 24 В) в напряжение другого номинала. При этом выходное напряжение может оставаться достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения батареи. Например, напряжение 12-ти вольтовой автомобильной аккумуляторной батареи в процессе работы может изменяться в пределах от 6 до 15 В. Сравнение импульсных и линейных ИП. Несмотря на то, что линейные ИП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабильности по напряжению и току, малое время восстановления нормативного уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока нагрузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение являются: низкий КПД, значительные масса и габариты. Импульсные ИП находят широкое применение главным образом благодаря их значительно большой удельной мощности и большой эффективности. Важным достоинством импульсных ИП является большое время удержания, то есть время, в течение которого выходное напряжение ИП остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения. Особую актуальность это приобретает в цифровых вычислителях и компьютерах. Элементная база ИП. В качестве базовых электрорадиоэлементов ИП используются: 1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы); 2) полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, транзисторы; 3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные); 4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость); 5) линейные интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители низкой частоты); 6) интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и импульсные); 7) интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП (АС-DС и D С-DС конверторы, однотактные и двухтактные ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания); 8) элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодиоды, аналоговые и цифровые индикаторы); 9) предохранители (плавкие, биметаллические, электронные). Современная тенденция развития ИП такова, что они строятся в основном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных активных элементов в них постоянно уменьшается. Блок питания ПКГлавное назначение блоков питания – преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +3,3, +5 и +12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) – +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.
Напряжение +12 В предназначено в основном для питания двигателей дисковых накопителей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Напряжение 12 В подается также на вентиляторы, которые, как правило, работают постоянно. Обычно двигатель вентилятора потребляет от 100 до 250 мА, но в новых компьютерах это значение ниже 100 мА. В большинстве компьютеров вентиляторы работают от источника +12 В, но в портативных моделях для них используется напряжение +5 В (или даже 3,3 В). Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напряжение, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величина этого напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. Иными словами, блок питания не позволит компьютеру работать при "нештатном" уровне напряжения питания. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power_Good (питание в норме). Если такой сигнал не поступил, компьютер работать не будет. Напряжение сети может оказаться слишком высоким (или низким) для нормальной работы блока питания, и он может перегреться. В любом случае сигнал Power_Good исчезнет, что приведет либо к перезапуску, либо к полному отключению системы. Если компьютер не подает признаков жизни при включении, но вентиляторы и двигатели накопителей работают, то, возможно, отсутствует сигнал Power_Good. Такой способ защиты был предусмотрен, исходя из тех соображений, что при перегрузке или перегреве блока питания его выходные напряжения могут выйти за допустимые пределы и работать на таком компьютере будет невозможно. Новейшим стандартом блоков питания на рынке компьютеров стал АТХверсии 2.01(рис. 16), который определил новую конструкцию как системной плат, так и блока питания.  Рис. 16. Блок питания стандарта АТХ Главная особенность состоит в том, что вентилятор теперь расположен на стенке корпуса блока питания, которая обращена внутрь компьютера, и поток воздуха прогоняется вдоль системной платы, поступая извне. Такое решение в корне отличается от традиционного, когда вентилятор располагается на тыльной стенке корпуса блока питания и воздух выдувается наружу. Поток воздуха в блоке АТХ направляется на компоненты платы, которые выделяют больше всего тепла (процессор, модули памяти и платы расширения). Поэтому исчезает необходимость в ненадежных вентиляторах для процессора, в настоящее время получивших столь широкое распространение. Другим преимуществом обратного направления воздуха является уменьшение загрязнения внутренних узлов компьютера. В корпусе создается избыточное давление, и воздух выходит через щели в корпусе, в отличие от систем другой конструкции. Так, если вы поднесете горящую сигарету к лицевой панели дисковода в обычной системе, то дым будет затягиваться через щель в панели дисковода и вредить головкам. В АТХ-системах дым будет отгоняться от устройства, поскольку внутрь воздух попадает только через одно входное отверстие на тыльной стороне блока питания. В системе, работающей в условиях повышенной запыленности, на воздухозаборнике можно установить фильтр, который предотвратит попадание в систему частиц пыли. Конструкция АТХ (рис. 17) позволяет решить две серьезные проблемы, возникающие при их использовании. Каждый из традиционных блоков питания персональных компьютеров, применяющихся в PC, имеет два разъема, которые вставляются в системную плату. Если перепутать разъемы, то сгорит системная плата! Большинство производителей качественных систем выпускают разъемы системной платы и блока питания с ключами, чтобы их нельзя было перепутать, но почти все дешевые системы не имеют ключей ни на системной плате, ни в блоке питания. Чтобы предотвратить неправильное подключение разъемов блока питания, в модели АТХ предусмотрен новый разъем питания для системной платы. Он содержит 20 контактов и является одиночным разъемом с ключом. Его невозможно подключить неправильно, поскольку вместо двух разъемов используется один. В новом разъеме предусмотрена цепь питания на 3,3 В, что позволяет отказаться от преобразователя напряжения на системной плате, который используется для процессора и других микросхем, потребляющих 3,3 В.  Рис. 17. Внешний вид блока питания форм-фактора ATX/NLX Для напряжения 3,3 В блок АТХ обеспечивает другой набор управляющих сигналов, отличающийся от обычных сигналов для стандартных блоков. Это сигналы Power_0n и 5v_Standby (5VSB). Первый из них – это сигнал системной платы, который может использоваться такими операционными системами, как Windows 9x и выше (они поддерживают возможность выключения и запуска системы программным путем). Это также позволяет применять для включения компьютера клавиатуру. Сигнал 5v_Standby всегда активен и подает на системную плату питание ограниченной мощности, даже если компьютер выключен. Параметры описанных свойств определяются с помощью программы установки параметров BIOS. Другая проблема, решенная в конструкции АТХ, связана с системой охлаждения. Во всех современных процессорах устанавливается активный теплоотвод, который представляет собой маленький вентилятор, "надетый" на процессор для его охлаждения. В системах модели АТХ для дополнительного охлаждения процессора используется заслонка рядом с блоком питания, которая направляет воздушный поток от вентилятора к процессору. Блок питания модели АТХ берет воздух извне и создает в корпусе избыточное давление, тогда как в корпусах других систем давление понижено. Направление воздушного потока в обратную сторону позволило значительно улучшить охлаждение процессора и других компонентов системы. |
