Разработка источника питания ЭВМ

 

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

"МОСКОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ УПРАВЛЕНИЯ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: Разработка источника питания ЭВМ

Пояснительная записка

ДП 230101.41.24.2007.01ПЗ

Дипломник Тарабанько И.А.

Руководитель проекта Шлыков В.С. .

Консультант по экономическому

разделу Акимов Л.Н.

Рецензент Колотушин И.Ю.

Содержание

Введение

1. Выбор и обоснование Схемы электрической структурной

2. Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

3. Расчет

3.1 Расчет числа модулей регулируемой части

3.2 Расчет напряжений, поступающих на преобразовательные модули ПМ

3.3 Расчет надежности

4. Конструкция платы источника питания ЭВМ

5. Технологический раздел

6. Экономическая часть.Определение оптовой цены

6.1 Расчет показателей технологичности и экономичности модернизированного устройства

7. Охрана труда

7.1 Техника безопасности при проведении работ в монтажном цехе

7.2 Расчет производственного освещения

7.3 Техника безопасности при работе с ИВЭП

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Решение современных задач науки и техники связано с широким применением электронно-вычислительной аппаратуры. История развития современного этапа вычислительной техники началась в 1943 г. с создания в США первой вычислительной электронной цифровой машины "ЭНИАК" (18 тысяч электронных ламп, 10 тысяч конденсаторов, 6 тысяч переключателей и около 20 тысяч других элементов - вес 30 тонн). Это первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах. Например, созданные в СССР в 1953 - 54 годах большие ЭВМ, "Стрела", БЭСМ (БЭСМ - 5000 электронных ламп, потребляемая мощность - около 50 кВт. Быстродействие БЭСМ - 2 - 8000 операций в сек.).

Второе поколение ЭВМ создавалось уже на полупроводниковых приборах. В 1948 г. в США Дж. Бардин и У. Браттейн изобрели первый кристаллический триод точечного типа. А в 1958 г. американская фирма IBM выпустила ЭВМ на нескольких тысячах полупроводниковых диодах и триодах. Потребляемая ею мощность составляла всего лишь 5% от мощности ламповых аналогов.

Третье поколение ЭВМ появилось в 60-е годы, когда РЭА стали разрабатывать на принципиально новых элементах - интегральных микросхемах (ИМС). Появление ИМС дало начало новому этапу - микроэлектронике. Появились малогабаритные ЭВМ, отличающиеся быстродействием до 1 млн. операций в сек.

К четвертому поколению относятся ЭВМ, построенные на больших интегральных схемах (БИС) и микропроцессорах.

Пятое поколение ЭВМ представляет класс вычислительной техники, в котором реализованы принципы искусственного интеллекта. Такие ЭВМ позволяют решать задачи, точный метод решения которых неизвестен. Их производительность - свыше 1 млрд. опер×с-1. В качестве элементной базы используются сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС).

Широкое применение электронно-вычислительной аппаратуры, информационно-измерительных комплексов, средств связи, управления, автоматики и телемеханики, которые в большинстве случаев получают электрическую энергию от промышленной сети переменного тока, требует применения источников вторичного электропитания (ИВЭП), обеспечивающих ее электрической энергией требуемого вида и качества.

ИВЭП для питания ЭВМ должны были на первом этапе их развития обеспечивать значительную потребляемую мощность (порядка 50 кВт). При этом использовались громоздкие трансформаторы. При использовании систем ИВЭП, применявшихся в радиоэлектронной аппаратуре на интегральных схемах второго поколения, их объем мог достигать 70% и более объема функциональной аппаратуры всего радиотехнического комплекса [2]. Применение интегральных схем привело к расширению функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры. В то же время возросли требования к выходным параметрам и удельным характеристикам ИВЭП. Если для транзисторной радиоэлектронной аппаратуры применялись источники электропитания, имеющие номинальные значения выходных напряжений 12,6; 20; 27; 36 В, то для питания устройств на интегральных схемах требуются источники с номинальными значениями напряжений 2; 5; 12 В.

Расширение функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры привело в свою очередь к увеличению мощности, потребляемой от источников электропитания. Снижение уровней питающих напряжений и повышение их мощности делают проблематичной миниатюризацию ИВЭП. Традиционный подход к проектированию источников электропитания даже с использованием достижений микроэлектронной технологии не позволяет решить задачу микроминиатюризации ИВЭП. Наиболее перспективным направлением микроминиатюризации ИВЭП является повышение рабочей частоты трансформаторов и фильтров и переход от линейного режима работы регуляторов постоянного напряжения к импульсному, что позволяет существенно (в 2-2,5 и более раз) снизить массу и габариты ИВЭП.

В настоящее время такими высокоэффективными ИВЭП, где реализуется этот подход, считаются ИВЭП с бестрансформаторным входом, которые строятся на основе высокочастотного инвертора напряжения. Включение инвертора, работающего на частоте 20-100 кГц, в структуру ИВЭП обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от первичной сети и резко уменьшает массогабаритные показатели трансформаторов и дросселей, значительно повышает КПД ИВЭП за счет импульсного режима работы мощных транзисторов.

Мы рассмотрим источники с бестрансформаторным входом с низким уровнем выходного напряжения (2-27 В) и широким диапазоном тока нагрузки (1-100 А), которые находят применение в РЭА четвертого и пятого поколения.

Цель настоящего дипломного проекта - разработка источника питания ЭВМ с бестрансформаторным входом с выходным напряжением 5 В и током 2А.

1. Выбор и обоснование Схемы электрической структурной

Для создания ИВЭП с широким диапазоном регулирования напряжения или тока, а также повышения их надежности целесообразно использовать адаптивные источники с бестрансформаторным входом. Структура таких источников сложнее, чем у линейных. На рисунке 1 приведена общая структурная схема адаптивного ИВЭП с бестрансформаторным входом, которая включает сетевой выпрямитель (СВ), дискретный исполнительный орган (ДИО), датчик тока (ДТ) и устройство управления (УУ). Под адаптивными ИВЭП с бестрансформаторным входом будем понимать устройства стабилизации, регулирования и преобразования напряжения (тока), имеющие ДИО со структурой, изменяющейся в зависимости от отклонений выходного напряжения DU или диапазона регулирования напряжения Uрег, тока DIн или надежности Р (рисунок 1). ДИО может быть выполнен для получения требуемой надежности на N основных и F резервных преобразовательных модулях (ПМ) с трансформаторным выходом на раздельных магнитопроводах. Число сочетаний ПМ зависит от задач, которые ставятся перед источником электропитания (стабилизация, регулирование, повышение надежности) и обеспечиваются УУ. Устройство управления может включать в себя следующие каналы адаптации ДИО:

1. По стабилизации напряжения на нагрузке U1 = f (Uн).
2. По диапазону регулирования напряжения U2 = f (Uрег).
3. По кратности изменения тока нагрузки U3 = f (DIн).
4. По отказам модулей ДИО U4 = f (p).

Выбираем вариант 2 по диапазону регулирования напряжения

U2 = f (Uрег). на нагрузке. В этом варианте для регулирования напряжения Uн в широком диапазоне модули должны соединяться по входным цепям параллельно, а по выходным последовательно - (вид соединения ПР - ПС).

источник вторичное электропитание схема

Однофазное переменное напряжение сети Uс = 220В% частотой 50 ± 1 Гц выпрямляется выпрямителем СВ и поступает на преобразовательные модули ПМ ДИО, где преобразуется в высокочастотное напряжение с прямоугольными импульсами (меандр.) и далее через трансформаторный выход на выпрямитель и датчик тока ДТ, после которого DUн, отклонение напряжения на нагрузке от заданного значения, поступает на устройство управления УУ, которое корректирует Uн, включая или отключая соответствующие модули ПМ (инверторы).

Представленную структурную схему можно рассматривать как базовую для адаптивного ИВЭП. В зависимости от требований, предъявляемых к ИВЭП и его конкретной технической реализации, организация ИВЭП может отличаться от базовой. Адаптивный ИВЭП может быть выполнен с использованием различных блоков, часть которых при решении поставленной задачи обязательна (например, ПМ в различных их вариантах), а другие могут быть и не включены (например, устройство плавного запуска).

Выбранная структурная схема адаптивного ИВЭП с бестрансформаторным входом на основе регулируемого конвертора приведена на рисунке 2. Она состоит из двух функциональных узлов - сетевого выпрямителя СВ и преобразователя напряжения ПН. Сетевой выпрямитель (рисунок 1) выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульсаций. На выходе СВ формируется напряжение Е постоянного тока, которое характеризуется значениями 264 - 340 В для однофазной сети 220В%. Преобразователь напряжения включает в себя конвертор К и устройство управления УУ. Конвертор состоит из регулируемого инвертора И, преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы, трансформаторно - выпрямительного узла ТВУ, работающего на повышенной частоте (20 кГц) и обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой, и высокочастотного фильтра ФВ. Устройство управления (УУ) обеспечивает мощные транзисторы импульсами управления.

2. Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

Устройство управления (канал адаптации) ДИО по отклонению DUн напряжения обеспечивает амплитудно-импульсное регулирование за счет последовательного соединения по входу с помощью ключей определенного числа преобразовательных модулей (ПМ) с трансформаторным выходом на общий магнитопровод (рисунок 3)

ДИО состоит из основного инвертора ПМ0, рассчитанного на нижний предел входного напряжения Еmin, и регулируемой части, состоящей из N инверторов ПМ1 - ПМN, напряжения на первичных обмотках которых составляют геометрическую прогрессию со знаменателем

(U1; 2U1; …, 2N-1U1), что позволяет значительно уменьшить число инверторов. Сигнал управления типа меандр поступает на все инверторы от генератора импульсов управления (ГИУ). Необходимая комбинация работающих инверторов регулируемой части, соответствующая уровню отклонения DUн, осуществляется с помощью коммутатора К, состоящего из ключей VT11 - VT1N, шунтирующих вход i - го инвертора, и ключей VT21 - VT2N-1, исключающих прохождение тока первичной цепи по шунтирующим ключам отключенных инверторов. Состояние шунтирующих ключей определяется сигналом U¢1, а исключающих - сигналом U¢2, которые поступают с выходного устройства ВУ. Управление коммутатором осуществляется измерительным органом (ИО), на вход которого подается напряжение Uн и опорное Uоп, аналогоцифровым преобразователем (АЦП), преобразующим сигнал рассогласования DU в последовательный код, и выходным устройством (ВУ), преобразующим последовательный код в параллельный и формирующим сигналы U¢1 и U¢2.

Введение в устройство коммутатора дает возможность получить любое сочетание последовательно соединенных по входу инверторов, то есть необходимый коэффициент трансформации, который для нерегулируемого инвертора ПМ0 будет равен К0 , а для i - го инвертора регулируемой части Ki = ×dк×2i-1, где dк = - относительный интервал квантования, соответствующий напряжению U1 младшего модуля и определяющий заданную точность DUн стабилизации напряжения Uн.

3. Расчет

Основными факторами, определяющими структуру построения адаптивного ИВЭП, являются заданные входные и выходные параметры: входные - параметры сети: однофазное переменное напряжение сети Uс = 220В% частотой 50 ± 1 Гц; выходные - параметры нагрузки: Uн = 5В, DUн = 0,05В, Iн = 2А.

3.1 Расчет числа модулей регулируемой части

Общее число модулей регулируемой части, обеспечивающих изменение напряжения в заданном диапазоне с заданной относительной точностью стабилизации dк = при относительном отклонении напряжения в сети dс = согласно [1] определяется формулой (3.1):

N = log2 [+1] (3.1)

Изменение напряжения в заданном диапазоне определим по формуле (3.2):

dр = , (3.2)

где D Uр = 2В - регулируемый диапазон напряжения (от 5В до 3В);

Uн = 5В - напряжение, снимаемое с нагрузки источника, то есть заданное выходное напряжение ИВЭП.

dр = , dр = 0,4

Относительную точность стабилизации определяем по формуле (3.3):

dк = = 0,01, (3.3)

где DUн = 0,05В - заданная точность стабилизации напряжения Uн.

dк = , dк = 0,01

Максимальное отклонение напряжения в сети dс=0,15 (15%).

Подставляя исходные данные в формулу (3.1), получим:

N = log2 [+1]

N = log2245, N @ 8

То есть общее число модулей регулируемой части N=8, что и отражено на схеме (рисунок 3).

3.2 Расчет напряжений, поступающих на преобразовательные модули ПМ

На рисунке 3 показана электрическая принципиальная схема однофазного мостового сетевого выпрямителя СВ. Первичная обмотка трансформатора ПМ0 (рисунок 3) рассчитана на весь диапазон отклонения напряжения сети от 264 до 340В. При минимальном напряжении сети все транзисторы открыты и входное напряжение приложено только к первичной обмотке трансформатора модуля ПМ0. При максимальном напряжении сети все транзисторы закрыты и входное напряжение приложено к первичным обмоткам трансформаторов всех модулей ПМ0. - ПМ8. В промежуточных положениях работают соответствующие комбинации модулей. При этом на первичные обмотки трансформаторов модулей поступают следующие значения напряжений: 0,75; 1,55; 3,1; 6,25; 12,5; 25; 50; 100В.

3.3 Расчет надежности

Одним из основных параметров устройств является надежность - свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в течении требуемого промежутка времени.

.3.1 Для всех типов элементов из технической документации выбираем интенсивность отказов и заносим их в таблицу 3.1.

.3.2 Определяем нагрузочную способность всех элементов по формуле (3.4):

Кн =

где Кн - нагрузочная способность;

Np - реальный коэффициент разветвления;

Nд - допустимый коэффициент разветвления.

Полученные результаты заносим в таблицу 3.1.

.3.3 Определяем поправочный коэффициент, учитывающий действительный режим работы по формуле (3.5):

a1 = b1×b2×b3×b4, (3.5)

где a1 - коэффициент, учитывающий действительный режим работы;

b1 - коэффициент вибрации;

b2 - коэффициент ударных нагрузок;

b3 - коэффициент относительной влажности;

b4 - коэффициент, учитывающий высоту над уровнем моря.

Для нормального режима работы принимаем:

b1 = 1

b2 = 1

b3 = 1

b4 = 1

a1 = 1×1×1×1

a1 = 1

Полученные данные заносим в таблицу 3.1.

.3.4 Определяем поправочный коэффициент, учитывающий влияние нагрузки и температуры, по формуле (3.6):

а2 = 0,75Кн, (3.6)

где а2 - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки.

Полученные результаты сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 Данные для расчета надежности.

Наименование элементовniКна1lio 10-6 час-1a2li = а1 а2lioli×ni 10-6час-1ИО10,510,10,050,0050,005ИЭН10,610,10,050,0050,005ГИУ10,510,10,050,0050,005АЦП10,510,10,050,0050,005Импульсный трансформатор 9 1 1 1,04 1,04 1,082 9,734Диоды150,110,10,050,0050,075Транзисторы 240,110,10,050,0050,12Конденсаторы 20,310,120,2250,0270,054Резисторы200,410,050,30,0150,3Разъем1110,10,750,0750,075Cоединение пайкой250110,0040,750,0030,75

3.3.5 Определяем суммарную интенсивность отказов по формуле (3.7):

lсум = Sli×ni×10-6час-1, (3.7)

где lсум - суммарная интенсивность отказов;

li - интенсивность отказов данного элемента;

ni - количество данных элементов.

lсум = (0,005 + 0,005 + 0,005 + 0,005 + 9,734 + 0,075 + 0,12 + 0,054 + 0,3 + 0,075 + 0,75) *10-6 =11,128×10-6час-1

.3.6 Определяем вероятность P (t) безотказной работы ИВЭП за 1000 часов по формуле (3.8):

P (t) = e-lcум×t (3.8)

P (t) = e - 11,128×10×1000

P (t) = 0,988934

.3.7 Определяем среднее время исправной работы до первого отказа

по формуле (3.9):

Тср = , (3.9)

где Тср - среднее время исправной работы до первого отказа, час.

Тср =

Тср = 89863 час. Проведенные расчеты показали, что надежность и среднее время работы до первого отказа удовлетворяют техническому заданию на данное устройство. На рисунке 3.1 приведен график вероятности безотказной работы ИВЭП от времени работы.

Рисунок 3.1

Таблица 3.2

t (часы) 11010010001000050000100000P0,9999890,9998890,9988880,9889340,8946880,5732690,328637

4. Конструкция платы источника питания ЭВМ

Конструирование узлов ИВЭП с использованием готовых комплектующих выдвигает новые проблемы. Прежде всего это связано с тем, что выводы комплектующих, расположенные близко, должны быть присоединены к платам, к проводникам на малой площади. С увеличением плотности компоновки схем возрастает мощность рассеивания в единице объема устройства и возникает проблема отвода тепла.

При разработке любой конструктивной единицы ИВЭП устанавливаются следующие основные требования:

• конструкция должна выполнять свою служебную функцию в заданных условиях эксплуатации;
• возможность изготовления конструкции в производстве.

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ УПРАВЛЕНИЯ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

Больше работ по теме: