ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6428| Title: | Прилад для автоматизованої діагностики джерел живлення |
| Authors: | Зубко, Ігор Анатолійович Никончук, Віталій Вікторович |
| Issue Date: | Jun-2025 |
| Abstract: | У даній кваліфікаційній роботі бакалавра проведено аналіз існуючих сучасних пристроїв, який дозволив сформувати напрямок проектування. З урахуванням недоліків аналогів та вимог технічного завдання. був розроблений стенд для тестування БЖ АТХ. Також було розглянуто питання сумісності блоків живлення різних форм-факторів. Блоки живлення персональних комп'ютерів є невід'ємною складовою системного блоку. Своєчасне технічне обслуговування джерел живлення дозволяє запобігти виходу з ладу складних та дорогих елементів ПК. Від правильного функціонування блоку живлення залежить працездатність усієї комп'ютерної системи загалом. Для своєчасного діагностування несправностей чи відхилення характеристик БЖ від номінальних значень необхідне спеціалізоване устаткування – стенди тестування блоків живлення. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6428 |
| Appears in Collections: | 123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_123_2025_Никончук+.pdf Restricted Access | 1.12 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» Прилад для автоматизованої діагностики джерел на тему: живлення Виконав студент 4 курсу групи СКС-2107 спеціальності 123 Комп’ютерна інженерія Віталій НИКОНЧУК (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Керівник Ігор ЗУБКО (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Рецензент (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Захист дозволяю: зав. кафедри, д.т.н., професор Валентина ЛУКАШЕНКО (підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Черкаси 2025 Зміст ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ .............................. 3 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ .................................................. 4 РОЗДІЛ 1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ........... 8 1.1 ТИПИ ДЖЕРЕЛ ЖИВЛЕННЯ ТА ЇХ НЕСПРАВНОСТІ ....................... 9 1.2 КЛАСИФІКАЦІЯ ПРИЛАДІВ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ДІАГНОСТИКИ ДЖЕРЕЛ ЖИВЛЕННЯ ................................................. 16 1.3 БЛОКИ ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНИХ КОМП'ЮТЕРІВ ....... 19 1.4 РОЗ'ЄМИ ЖИВЛЕННЯ МАТЕРИНСЬКОЇ ПЛАТИ ............................. 28 РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА ТЕСТОВОГО СТЕНДУ БЛОКУ ЖИВЛЕННЯ ПК ....................................................................................................................... 41 2.1 ПРИЗНАЧЕННЯ ПРИСТРОЮ ................................................................ 41 2.2 СТРУКТУРНА СХЕМА ПРИСТРОЮ .................................................... 41 РОЗДІЛ 3 РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ ПРИЛАДУ................................. 53 ВИСНОВКИ ..................................................................................................... 58 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ....................................................... 59 ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ПК – Персональний комп’ютер ДЖ – Джерело живлення ІТ – Інформаційні технології АСУ – Автоматизована система управління БЖ - Блок живлення ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми На сьогоднішній день широке поширення отримали персональні комп'ютери. Радіоелектронна промисловість, бухгалтерський облік, банківські та економічні послуги, зв'язок – жодну з цих сфер людської діяльності неможливо уявити без комп'ютерної техніки. Широке застосування персональних комп'ютерів дозволило значно підвищити продуктивність праці і оптимізувати процеси передачі інформації. Сучасний персональний комп'ютер це складний пристрій, що складається з великої кількості компонентів. Одним з основних компонентів персонального комп'ютера є блок живлення. Комп'ютерний блок живлення – це вторинне джерело живлення, призначене для забезпечення компонентів комп'ютера електричною енергією постійного струму, а також для перетворення напруги мережі до заданих значень. Вихід з ладу блоку живлення ПК – одна з основних несправностей, що діагностуються при виході з ладу персонального комп'ютера. На сьогоднішній день форм-фактор блоків живлення ATX став найбільш поширеним. З огляду на широке застосування даного типу БЖ, існує необхідність якісного і точного тестування блоків живлення даного форм-фактора. Актуальність автоматизованої діагностики джерел живлення є високою з кількох причин, зокрема технічних, економічних і безпекових. Варто враховувати зростаючу складність електронних систем. Сучасні електронні пристрої використовують складні джерела живлення (ДЖ), які забезпечують стабільну роботу критично важливих систем — у медицині, телекомунікаціях, обороні, ІТ-секторі тощо. З огляду на складність схем і взаємодій між компонентами, ручна діагностика стає малоефективною та повільною. Також актуальні питання необхідності швидкої локалізації несправностей. Автоматизована діагностика дозволяє оперативно виявляти відмови та попереджати збої, що особливо важливо у безперервних або критичних процесах. Чим швидше виявлено проблему в джерелі живлення, тим менші ризики простою обладнання або його пошкодження. Вчасна діагностика дає змогу запобігати аваріям, перегріву, коротким замиканням або нестабільному живленню, що може призвести до втрати даних або виходу з ладу пристроїв. Для галузей з високими вимогами до надійності (наприклад, авіації, медицини, енергетики) це має критичне значення. Автоматизована система дозволяє зменшити витрати на обслуговування, знизити потребу в висококваліфікованому ручному контролі та продовжити термін служби обладнання за рахунок регулярного моніторингу стану. З використанням штучного інтелекту та методів машинного навчання автоматизована діагностика може виконувати прогнозування відмов, ґрунтуючись на трендах у роботі ДЖ. Це дозволяє впроваджувати концепції «розумного технічного обслуговування». Інтеграція в автоматизовані системи управління (АСУ) Сучасні виробничі та ІТ-системи орієнтуються на повну автоматизацію, і інтеграція діагностики джерел живлення в АСУ забезпечує централізований моніторинг і контроль без втручання оператора. Актуальність автоматизованої діагностики джерел живлення визначається необхідністю забезпечення надійної, безпечної та економічно ефективної роботи електронних систем у всіх сферах діяльності. Упровадження таких рішень є важливим кроком на шляху до цифровізації та індустрії. Мета і завдання дослідження В даній кваліфікаційній роботі бакалавра розроблено стенд для тестування блоків живлення форм-фактора ATX, який призначений для вимірювання напруги на основних вихідних каналах комп'ютерного блоку живлення. Головною відмінною рисою даного приладу є візуальний спосіб вказівки вимірюваних величин, що стосується їх розмірів і форми. Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання: 1. Провести аналіз джерел живлення; 2. Дослідити сучасні прилади діагностики джерел живлення та визначити їх переваги й недоліки. 3. Розробити прилад для автоматизованої діагностики джерел живлення. Об’єкт дослідження Об’єктом дослідження є процеси дігностики джерел живлення. Предмет дослідження Предметом дослідження є прилад для автоматизованої діагностики джерел живлення. Методи дослідження Методи теорії ймовірності і математичної стьатистики, імітаційне комп’ютерне моделювання. Новизна отриманих результатів Проведено аналіз існуючих джерел живлення. Проведено порівняльний аналіз приладів астоматизованої діагностики джерел живлення. Практичне значення отриманих результатів полягає в доведенні отриманих наукових результатів до конкретних інженерних рішень : запропоновано структурну схему приладу автоматизованої діагностики джерел живлення. Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на студентській науковій конференції: дні студентської науки ЧДТУ, 23 квітня, м. Черкаси, Україна, 2025. Структура та обсяг випускної роботи. Кваліфікаційна робота бакалавра складається із загальної характеристики роботи, 3 розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота викладена на 72 сторінках. Ілюстрована 40 рисунками та має 2 таблиці. Список використаних джерел містить 19 найменування 8 РОЗДІЛ 1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ На ринку персональних комп'ютерів IBM спочатку пішла на стандартизацію, а всі інші копіювали її стандарти. Всі популярні форм- фактори блоків живлення для ПК базуються на одній з трьох моделей, включаючи PC/XT, AT і PS/2 Model 30. Цікаво, що всі три оригінальні форм- фактори блоків живлення IBM мають однакові роз'єми та кабелі для підключення до материнської плати, різниця між ними полягала у формі, максимальній потужності, кількості виходів живлення периферійних пристроїв, розташуванні перемикача. Сумісні ПК, які використовували один з трьох оригінальних стандартів блоків живлення, розроблених IBM, були популярні до 1996 року і пізніше. З точки зору своєї конструкції, сучасний стандарт ATX12V повертається до фізичної компоновки PS/2 Model 30, але має інші роз'єми. Новий форм-фактор для блоків живлення був визначений в 1995 році компанією Intel з введенням стандарту ATX. Стандарт ATX набув популярності в 1996 році і почав відходити від попереднього стандарту на основі розробки IBM. З тих пір ATX і подальші стандарти використовували роз'єми, відмінні від форм-фактора IBM, з додатковими вихідними напругами і сигналами, що дозволяло отримати більш високу потужність і додаткові функції, які були недоступні в комп'ютерах форм-фактора AT. [1] Існувало понад десять різних форм-факторів блоків живлення, які претендували на звання галузевого стандарту. Багато з них були засновані на дизайні IBM в кінці 1980-х років, в той час як інші були засновані на дизайні Intel в середині 1990-х і до сьогоднішнього дня. Галузеві стандарти на блоки живлення можна розділити на дві основні категорії: ті, які вже в значній мірі застаріли, і ті, які використовуються в сучасних ПК. 9 1.1 Типи джерел живлення та їх несправності Джерело живлення – елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила. Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору. До джерел живлення належать гальванічні елементи, електрохімічні батареї, акумулятори, термопари, сонячні батареї, електричні генератори тощо [1]. В залежності від виду електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму. Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори тощо. Класифікація джерел живлення Джерела живлення можна класифікувати: • пo роду струму –на джерела постійного і змінного струму; • пo зовнішнім характеристикам – пологоспадаючі жорсткі і пологозростаючі характеристики; • пo способу отримання енергії – на залежні і незалежні (або залежні і автономні), тобто які отримують енергію від стаціонарної електричної мережі або мають джерелом енергії двигун внутрішнього згоряння; • пo кількісті обслуговуваних постів – на однопостові і багатопостові; • по застосуванню – на загальнопромислові і спеціалізовані. 10 Первинні та вторинні джерела живлення Джерела живлення призначені для створення напруги і струмів, необхідних для живлення електронної апаратури. Джерело живлення іноді називають перетворювачем, а процес – перетворенням електроенергії. Джерела живлення відносяться до силовій електроніці – приладів, в яких електронні схеми використовуються для управління і перетворення електроенергії. Розрізняють первинні і вторинні джерела живлення. Первинні джерела живлення – безпосередньо перетворюють будь –якої вид енергії (механічну, внутрішню, хімічну, теплову, сонячну і т.д.) в електричну. До первинних джерел відносяться турбогенератори, хімічні джерела струму (батареї, акумулятори), термопари, сонячні батареї та інші. Вторинні джерела живлення здійснюють перетворення енергії первинного джерела у необхідні величини напруги (струму). У стаціонарній апаратурі джерелом найчастіше є мережа змінного струму напругою 220 В, у переносний – хімічні джерела струму. Вторинні джерела живлення повинні забезпечувати: • Допустимий рівень змінних складових в вихідному постійній напрузі; • Стабільність вихідної напруги (або струму) при зміні напруги мережі або струму навантаження; • Задану економічність; • Стійкість до перевантажень і коротких замикань вихідних кіл; • Працездатність в певному діапазоні температур та інших впливів зовнішнього середовища. Аналогові та імпульсні вторинні джерела живлення Класичним блоком живлення є трансформаторний БЖ. У загальному випадку він складається з понижуючого трансформатора або автотрансформатора , у якого первинна обмотка розрахована на мережеву 11 напругу. Напруга з вторинної обмотки подається на випрямляч, який перетворює напругу змінної полярності у однополярну пульсуючу напругу.. Після випрямляча встановлюється фільтр , що згладжує коливання (пульсації). Зазвичай він являє собою просто конденсатор великої ємності. Іноді згладжуючий фільтр доповнюють дроселем аьо резистором, ввімненими між виходом випрямляча та конденсатором. Також в схемі можуть бути встановлені фільтри високочастотних перешкод, сплесків (варистори), захисту від короткого замикання (КЗ), стабілізатори напруги і струму. В імпульсних джерелах живлення змінна вхідна напруга спочатку випрямляється. Отримана постійна напруга перетвориться в прямокутні імпульси підвищеної частоти і певної шпаруватості (скважності), або подаються на трансформатор (у разі імпульсних БЖ з гальванічною розв'язкою від живильної мережі) або безпосередньо на вихідний фільтр нижніх частот (в імпульсних БЖ без гальванічної розв'язки). В імпульсних БЖ можуть застосовуватися малогабаритні трансформатори – це пояснюється тим, що з ростом частоти підвищується ефективність роботи трансформатора і зменшуються вимоги до габаритів (перетину) осердя, необхідним для передачі еквівалентної потужності. У більшості випадків такий сердечник може бути виконаний з феромагнітних матеріалів, на відміну від сердечників низькочастотних трансформаторів, для яких використовується електротехнічна сталь. В імпульсних блоках живлення стабілізація напруги забезпечується за допомогою негативного зворотного зв'язку. Зворотній зв'язок дозволяє підтримувати вихідну напругу на відносно сталому рівні незалежно від коливань вхідної напруги і величини навантаження. Зворотний зв'язок можна організувати різними способами. У разі імпульсних джерел з гальванічною розв'язкою від живильної мережі найбільш поширеними способами є використання зв'язку за допомогою однієї з вихідних обмоток трансформатора 12 або за допомогою оптрона. Залежно від величини сигналу зворотного зв'язку (залежить від вихідної напруги), змінюється шпаруватість імпульсів на виході ШІМ –контролера. Якщо розв'язка не потрібна, то, як правило, використовується простий резисторний дільник напруги. Таким чином, блок живлення підтримує стабільну вихідну напругу. Структура та принцип роботи аналогового вторинного джерела живлення Типовий лінійний ІП містить у своєму складі: мережний понижуючий трансформатор, діодний міст з фільтром і стабілізатор, який перетворює нестабілізованого напруга, що отримується з вторинною обмотки трансформатора через діодний міст і фільтр, в вихідну стабілізовану напругу, причому, це вихідна напруга завжди нижче нестабілізованого вхідної напруги стабілізатора. Переваги: Аналогові джерела живлення досить просто виготовити самостійно, вони мають низький рівень пульсацій, їм притаманна відсутність високочастотних завад. Недоліки: Низький ККД, який падає з ростом споживання струму через збільшення нагріву регулюючих елементів (зазвичай транзисторів, або спеціалізованих мікросхем –стабілізаторів які працюють у лінійному режимі і споживають значну потужність). Іншим недоліком лінійних джерел живлення є більша вага та габарити через наявність низькочастотного трансформатора та радіаторів охолодження транзисторів та мікросхем. 13 Рисунок 1.1 – Структура роботи аналогового вторинного блоку живлення Структура та принцип роботи імпульсного вторинного джерела живлення Переваги імпульсних БЖ Порівнянні за вихідний потужності з лінійними стабілізаторами відповідні їм імпульсні стабілізатори володіють наступними основними перевагами: • меншою вагою та габаритами за рахунок того, що з підвищенням частоти можна використовувати трансформатори менших розмірів при тій же переданої потужності. Маса лінійних стабілізаторів складається в основному з потужних важких низькочастотних силових трансформаторів і потужних радіаторів силових елементів, що працюють в лінійному режимі. Крім того, завдяки підвищеній частоті перетворення, значно зменшуються габарити фільтру вихідної напруги (можна використовувати конденсатори значно меншою ємності, ніж для випрямлячів, що працюють на промисловій частоті). Сам випрямляч може бути виконаний за найпростішою однополупериодною схемою без ризику збільшення пульсацій вихідної напруги; 14 • значно вищим ККД (аж до 90 –98%) за рахунок того, що основні втрати в імпульсних стабілізаторах пов'язані з перехідними процесами в моменти перемикання ключового елемента. Оскільки основну частину часу ключові елементи знаходяться в одному зі стійких станів (тобто або включений, або вимкнений) втрати енергії мінімальні; • меншою вартістю, завдяки масовому випуску уніфікованої елементної бази та розробці ключових транзисторів високої потужності. Крім цього слід зазначити значно нижчу вартість імпульсних трансформаторів при порівнянній переданої потужності, і можливість використання менш потужних силових елементів, при ключовому режимі роботи. Імпульсні джерела живлення характерізуються широким діапазоном вхідної напруги, недосяжним для порівнянного за ціною лінійного. На практиці це означає можливість використання одного і того ж імпульсного БЖ для переносної цифрової електроніки в різних країнах світу, відмінних по напрузі в стандартних розетках. Приклад структурної схеми імпульсного джерела живлення показано на рисунку 1.2. Рисунок 1.2 – Структурна схема імпульсного джерела живлення 15 Недоліки імпульсних БЖ • Робота основної частини схеми без гальванічної розв'язки від мережі, що, зокрема, дещо ускладнює ремонт таких БЖ. • Всі без винятку імпульсні блоки живлення є джерелом високочастотних перешкод, оскільки це пов'язано з самим принципом їх роботи. Тому потрібно вживати додаткових заходів зіхоча б часткового зменшення завад. У зв'язку з цим неприпустимо застосування імпульсних БЖ для деяких видів апаратури з мікровольтовими рівнями сигналів. Джерела живлення — це критично важливі компоненти електронних пристроїв і систем. Їх несправність може призвести до збоїв у роботі обладнання, втрати даних або пошкодження інших елементів. Виявлення поширених несправностей дозволяє своєчасно вживати заходів для діагностики, профілактики та ремонту. Типові види несправностей: 1. Просідання або перевищення вихідної напруги – Причини: знос компонентів (електролітичних конденсаторів), неправильна робота ШІМ-контролера, збої в зворотному зв'язку. – Наслідки: нестабільна робота або вихід з ладу споживачів. 2. Пульсації напруги (ріплінг) – Причини: деградація фільтрувальних конденсаторів, пошкодження діодів випрямляча. – Наслідки: шум у сигнальних лініях, збої в цифровій техніці. 3. Нестабільна робота при зміні навантаження – Причини: недостатня компенсація навантаження, проблеми з ШІМ або дроселями. – Діагностика: вимірювання реакції БЖ на зміну навантаження (динамічне тестування). 4. Несправності елементів захисту: 16 – Причини: знос запобіжників, неправильна робота обмежувачів струму або напруги. – Ризики: при відсутності захисту – перегрів і займання. 5. Несправності на вході – Причини: пробій варисторів, перегорання запобіжників, збої у випрямлячі. – Діагностика: перевірка вхідної напруги та струму. 6. Перегрів і вихід з ладу радіаторів/вентиляторів – Причини: пил, знос вентиляторів, поганий тепловідвід. – Ознаки: зниження ефективності, самовимкнення, відключення по температурі. 7. Несправності силових ключів (транзисторів, MOSFET) – Причини: перевантаження, старіння, паразитні явища. – Діагностика: перевірка осцилограм і пряме тестування компонентів. Автоматизована діагностика дозволяє: Виявити напругові/струмові аномалії в реальному часі; оцінити рівень пульсацій; контролювати тепловий режим; виявити критичні збої у режимі навантаження. Поширені несправності вимагають комплексної діагностики, яка в ручному режимі є повільною та неточною. Застосування автоматизованих приладів дозволяє оперативно визначати стан джерел живлення за набором діагностичних ознак, що підвищує ефективність обслуговування й знижує ризик відмови систем. 1.2 Класифікація приладів автоматизованої діагностики джерел живлення 17 Класифікація приладів автоматизованої діагностики джерел живлення (ДЖ) здійснюється за різними критеріями залежно від функціонального призначення, рівня автоматизації, типу джерела живлення, принципу дії тощо. Ось основні напрямки класифікації: 1. За рівнем автоматизації: • Ручні – оператор самостійно виконує вимірювання та аналіз результатів. • Напівавтоматизовані – частина операцій виконується автоматично, але з контролем оператора. • Автоматизовані – повний цикл діагностики (вимірювання, аналіз, формування звіту) виконується автоматично без участі оператора. 2. За типом джерела живлення, яке діагностується: • Лінійні джерела живлення. • Імпульсні джерела живлення (SMPS). • Акумуляторні системи (UPS, батареї). • Гібридні та відновлювані (сонячні інвертори, джерела з альтернативною енергією). 3. За функціональним призначенням: • Контроль параметрів виходу (напруга, струм, пульсації). • Виявлення несправностей (вихід з ладу компонентів, коротке замикання, зниження ефективності). • Оцінка ефективності (ККД, тепловий режим). • Моніторинг та діагностика в режимі реального часу. • Тестування під навантаженням (динамічне навантаження). 4. За способом взаємодії з об’єктом діагностики: • Пасивні – лише зчитують сигнали, не втручаючись у роботу ДЖ. • Активні – змінюють режими роботи джерела для оцінки його характеристик. • За принципом дії: 18 • Аналогові прилади – працюють на основі аналогової електроніки. • Цифрові прилади – обробка сигналів здійснюється за допомогою мікропроцесорів або ПЛІС. • Комп’ютеризовані системи діагностики – включають програмне забезпечення для візуалізації, аналізу та зберігання результатів. 6. За типом інтерфейсу взаємодії: • Автономні прилади з дисплеєм. • Модулі з підключенням до ПК. • Мережеві (LAN/Wi-Fi) системи для дистанційного моніторингу. 7. За способом встановлення: • Портативні (мобільні) – для виїзної діагностики або експлуатаційних умов. • Стаціонарні – вбудовані в стенди або лабораторії. Запропонована класифікація приладів автоматизованої діагностики джерел живлення сформована в таблиці 1.1. Таблиця 1.1 Класифікація приладів автоматизованої діагностики джерел живлення Критерій Класи Приклади класифікації 1. Рівень - Ручні Осцилографи (ручні), автоматизації - Напівавтоматизовані стенди з - Автоматизовані мікроконтролером, АСК ТП 2. Тип джерела - Лінійні Різні методи живлення - Імпульсні (SMPS) діагностики через - UPS / акумуляторні відмінності в - Гібридні принципах роботи 19 3. - Контроль вихідних Прилади можуть Функціональне параметрів об'єднувати кілька призначення - Пошук несправностей функцій - Моніторинг 4. Спосіб - Пасивні Пасивні – мультиметри; взаємодії - Активні Активні – програмовані навантаження, стенди 5. Принцип дії - Аналогові Комп’ютерні - Цифрові комплекси: LabVIEW, - Комп’ютеризовані NI PXI 6. Тип - Автономні Відображення інтерфейсу - З підключенням до ПК результатів на - Мережеві (LAN/Wi-Fi) вбудованому дисплеї або на ПК 7. Спосіб - Портативні Портативні – польові встановлення - Стаціонарні тести, Стаціонарні – лабораторії 1.3 Блоки живлення для персональних комп'ютерів Застарілі форм-фактори ПК/XT Комп'ютерні системи IBM PC і XT (представлені в 1981 і 1983 роках відповідно) використовували блок живлення одного форм-фактора; єдина відмінність полягала в тому, що блок живлення XT мав удвічі більшу потужність. Оскільки ці блоки не відрізняються зовнішнім виглядом і типами роз'ємів, при модернізації систем ПК можна сміливо використовувати блок живлення XT більшої потужності; Так народилася сама ідея модернізації блоків живлення. Величезна популярність оригінальних систем PC і XT спонукала багатьох виробників випускати комп'ютери, сумісні як за формою, 20 так і за функціями. Компоненти, що використовуються в PC/XT-сумісних системах, можуть бути використані для заміни відповідних компонентів систем IBM; Ці твердження справедливі і для блоків живлення. Відповідні блоки живлення PC/XT випускаються багатьма компаніями. Блоки живлення такого форм-фактора в сучасних системах не використовуються. [2] AT/Настільний комп'ютер Настільні системи AT були представлені компанією IBM в серпні 1984 року; вони використовували більший блок живлення та інший форм-фактор, ніж PC/XT. Інші постачальники швидко представили свої власні сумісні системи, які ідеально вписувалися в дизайн IBM. У таких системах використовується блок живлення AT/Desktop. Сотні виробників почали випускати материнські плати, блоки живлення, корпуси та інші компоненти, які повністю відповідають оригінальній конструкції IBM AT. Блоки живлення такого форм-фактора в даний час не використовуються. AT/Вежа Конфігурація AT/Tower — це повнорозмірна оригінальна конфігурація AT, яка є горизонтальною. Конфігурація Tower не нова; насправді, ще перші системи IBM AT мали спеціальний логотип, що вказує на можливість розміщення системного блоку на боці. У системах AT/Tower використовувався той самий блок живлення, що й в оригінальних настільних системах AT, за винятком кнопки живлення. В оригінальних системах AT/Desktop кнопка живлення розташовувалася на панелі блоку живлення (зазвичай це досить велика кнопка). У системах AT/Tower, з іншого боку, використовувалася зовнішня кнопка, яка підключалася до джерела живлення за допомогою чотирижильного кабелю. Повнорозмірний блок живлення AT із зовнішньою кнопкою живлення називається блоком живлення AT/Tower, хоча за розмірами він ідентичний блоку живлення AT/Desktop. Єдиною відмінністю є використання зовнішньої кнопки живлення. Такий форм-фактор вважається застарілим. 21 ЛПХ Наступним поширеним форм-фактором став LPX, який також називали PS/2 і Slimline. Позначення PS/2 вказує на те, що цей форм-фактор спочатку був представлений в IBM PS/2 Model 30 у квітні 1987 року. Блоки живлення LPX містять ті ж роз'єми для материнської плати і жорсткого диска, що і блоки живлення PC/XT і AT. Блоки живлення LPX в основному використовувалися з материнськими платами LPX, BabyAT, MiniAT. Блоки живлення LPX швидко знайшли застосування в системах різних виробників, після чого стали стандартом де-факто. Протягом багатьох років вони використовувалися практично скрізь, починаючи від низькопрофільних систем з материнськими платами LPX, закінчуючи настільними і середніми баштовими системами з материнськими платами BabyAT і MiniAT, і навіть повнорозмірними вежами з BabyAT і повнорозмірними платами AT. Незважаючи на свій застарілий статус, рішення LPX (PS/2) використовуються і сьогодні. Форм-фактор також зберігся, оскільки став основою для стандартів ATX і PS3, які широко використовуються в сучасних системах. [2] Сучасні форм-фактори Intel представила специфікацію ATX в 1995 році, а в 1996 році форм- фактор почав набирати популярність серед настільних систем на базі процесорів Pentium і Pentium Pro, захопивши 18% ринку за перший рік свого існування. З 1996 року форм-фактори на базі ATX стали домінуючими як серед материнських плат, так і серед блоків живлення, замінивши раніше поширені стандарти Baby-AT/LPX. Блоки живлення ATX12V також використовуються для більш сучасних материнських плат BTX, які призначені для заміни ATX, гарантуючи, що блоки живлення на базі ATX будуть доступні протягом наступних кількох років. Специфікація ATX12V визначає фізичну або механічну форму блоку живлення, а також конфігурацію роз'ємів, які використовуються для живлення компонентів комп'ютера. 22 З 1995 по 2000 рік форм-фактор ATX визначався як частина специфікації материнської плати ATX. Однак у лютому 2000 року Intel взяла за основу актуальну на той момент специфікацію ATX 2.03 для материнської плати та корпусу комп'ютера та створила окрему специфікацію форм-фактора ATX/ATX12 версії 1.0, додавши при цьому додатковий 4-контактний роз'єм +12V (блоки живлення з цим роз'ємом відповідають специфікації ATX12V). Роз'єм +12V став вимогою для версії ATX 1.3, представленої в квітні 2002 року, залишивши тільки стандарт ATX12V. Стандарт ATX12V 2.0 (лютий 2003 року) позбувся 6-контактного допоміжного роз'єму, основний роз'єм став 24- контактним, а наявність роз'ємів живлення Serial ATA стала вимогою. Поточна версія ATX12V 2.2 була представлена в березні 2005 року і містить лише незначні поліпшення в порівнянні з попередніми версіями, такі як використання на вилках Molex High Current System (HCS). Оскільки специфікація блоку живлення ATX була вдосконалена, орієнтація вентилятора охолодження та конструкція блоку живлення також були змінені. Початкові технічні характеристики передбачають 80- міліметровий вентилятор, встановлений на внутрішній стороні блоку живлення, звідки він може витісняти повітря із задньої частини корпусу, направляючи повітряний потік уздовж материнської плати. Іншими словами, такий вентилятор працює в протилежному напрямку, ніж більшість вентиляторів, що використовуються в даний час, які видаляють гаряче повітря з компонентів. Ідея полягає в тому, щоб перенаправити повітряний потік усередині корпусу таким чином, щоб можна було обійтися лише одним вентилятором на блок живлення, без обов'язкового використання активного охолодження радіатора процесора. На рисунку 1.3 показана схема блоку живлення ATX12V 2.x з основним 24-контактним кабелем живлення: Форм-фактор ATX вирішує кілька завдань, актуальних для попередніх форм-факторів PC/XT, AT і LPX. Одна з них полягала в тому, що плати 23 PC/XT/AT були оснащені лише двома слотами для кабелю живлення. Якщо кабелі живлення були підключені неправильно, як правило, згоряв і блок живлення, і материнська плата. Більшість відповідальних виробників постаралися придумати спеціальний ключ, який дозволив би підключати ці кабелі тільки в правильній послідовності. Загальна більшість виробників, які пропонували недорогі системи, не передбачали такого захисту на блоках живлення або платах. Форм-фактор ATX включає роз'єми для материнської плати та роз'єми блоку живлення, розроблені з урахуванням «захисту від дурнів», тобто їх можна підключити лише правильним способом безпосередньо на платі для тих компонентів, які використовують цю напругу. 24 Рисунок 1.3 - Схема блоку живлення ATX12V 2.x з основним 24- контактним кабелем живлення, 4-контактним додатковим роз'ємом +12V і додатковими роз'ємами живлення для відеокарт, підключених до шини PCI Express 25 Нові роз'єми +3,3V на блоках живлення ATX мають інший набір виходів, які зазвичай не помітні на стандартному БЖ. У комплект входять виходи Power_On (PS_ON) і 5V_Standby (5VSB), які були згадані раніше і відповідають за режим Soft Power. Тобто, коли сигнал від модему або мережі може використовуватися для пробудження комп'ютера або автоматичного включення для виконання запланованих завдань. Ці сигнали також можна ввімкнути за допомогою спеціальних кнопок керування живленням, які є на більшості сучасних клавіатур. Зокрема, опція включення за допомогою кнопки на клавіатурі або по мережі доступна навіть тоді, коли комп'ютер вимкнений, але підключений до джерела живлення, так як лінія 5V_Standby завжди знаходиться під напругою. Самі розширені функції управління живленням можна включити або відключити через BIOS. [3] SFX/SFX12V У грудні 1997 року Intel представила материнську плату формату microATX, і тоді ж був представлений блок живлення меншого розміру Small Form Factor (SFX). Незважаючи на це, більшість шасі microATX все ще використовували стандартний блок живлення ATX. Але потім, у березні 1999 року, Intel представила доповнення FlexATX до специфікації microATX для мініатюрних материнських плат, що використовуються в бюджетних настільних системах. а також промислові ПК. З тих пір корпуси SFX використовуються в багатьох компактних настільних системах. На відміну від більшості специфікацій блоків живлення, які визначають фізичні розміри, стандарт SFX описує п'ять різних фізичних форм блоків живлення, деякі з яких не можуть бути замінені як автономний модуль. Купуючи блок живлення SFX/SFX12V, слід переконатися, що ви вибрали правильний тип блоку живлення, який фізично поміститься в корпус, а також має правильні роз'єми для підключення до материнської плати. Кількість і тип роз'ємів змінювалися в міру еволюції стандарту SFX. 26 Оригінальна комплектація блоку живлення включає в себе один 20-контактний роз'єм для материнської плати. Додатковий 4-контактний роз'єм +12 В для незалежного живлення процесора був представлений як опція в специфікації версії 2.0 за травень 2001 року і став обов'язковим у версії 2.3 (квітень 2003 року), так що тільки специфікація SFX12V була додатково розвинена. У версії SFX12V 3.0 основний роз'єм живлення був перетворений з 20-контактного на 24-контактний, а до вимог були додані роз'єми Serial ATA. На даний момент актуальною вважається версія 3.1, яка була представлена в березні 2005 року і містить незначні відмінності, зокрема, використання в штирьових роз'ємах Molex High Current System (HCS). SFX12V має кілька варіантів фізичного компонування, один з яких називається PS3. Стандартний блок живлення SFX/SFX12 має 60-міліметровий вентилятор, розташований усередині блоку живлення, обличчям до внутрішньої частини комп'ютера. Вентилятор втягує гаряче повітря в блок живлення з корпусу і виходить з нього через задню панель. Вентилятори для охолодження процесора та корпусу, які не залежать від джерела живлення. На рисунку 1.4 показаний стандартний блок живлення SFX/SFX12V з внутрішнім вентилятором 60 мм: 27 Рисунок 1.4 - Стандартний блок живлення SFX/SFX12V з внутрішнім вентилятором 60 мм Блоки живлення SFX12V розроблені спеціально для мініатюрних систем, які містять обмежений набір аксесуарів і обмежені у своїй можливості оновлення. Більшість блоків живлення SFX розраховані на забезпечення від 80 до 300 Вт потужності при постійному навантаженні та мають чотири лінії живлення: +5 В, +12 В, -12 В та +3,3 В достатньо для компактної системи, оснащеної процесором, відеокартою AGP або PCI-E x16, до чотирьох слотів для карт розширення, а також трьома внутрішніми запам'ятовувальними пристроями, такими як жорсткі диски та оптичні приводи. Хоча Intel створила специфікацію SFX12V PSU з урахуванням материнських плат microATX і FlexATX, SFX — це форм-фактор блоку живлення, незалежний від материнської плати, який можна використовувати з іншими материнськими платами так само добре. Зокрема, версія SFX12V 28 блоку живлення PS3 може бути використана як повноцінна заміна блоку живлення ATX12V з наступних причин: що роз'єми для двох стандартів ідентичні. Блок живлення SFX використовує точно такі ж 20-жильні або 24- жильні роз'єми, як визначено в специфікації ATX/ATX12V, і включає Power_On і 5V_Standby лінії. Блок живлення SFX12V включає додатковий 4-контактний роз'єм +12V для живлення процесора, як і стандарт ATX12V. Чи використовувати блок живлення ATX або SFX в тій чи іншій системі, залежить більше від корпусу або шасі, ніж від материнської плати. Кожен форм-фактор має однакові роз'єми живлення, а основна відмінність полягає у фізичному компонуванні та габаритах. [4] 1.4 Роз'єми живлення материнської плати Оригінальні блоки живлення ATX і ATX12V 1.x, а також стандартні варіанти мають наступні три роз'єми живлення материнської плати: 20-контактний основний роз'єм живлення; 6-контактний роз'єм допоміжного живлення; 4-контактний роз'єм живлення +12 В. Завжди потрібен основний роз'єм живлення, але два інших є необов'язковими і можуть бути недоступні. Таким чином, блок живлення ATX або ATX12V може мати чотири комбінації набору роз'ємів: Тільки основний роз'єм живлення; Основний і додатковий роз'єми; Основний роз'єм і роз'єм +12 В; Основний, допоміжний і роз'єм +12В. Найбільш поширеними варіантами є ті, які включають в себе тільки основний роз'єм живлення, а також основний роз'єм і роз'єм +12В. Основний 20-контактний роз'єм живлення Основний 20-контактний роз'єм живлення, стандартний для всіх блоків 29 живлення, що відповідають специфікаціям ATX та ATX12V 1.x, оснащений роз'ємом Molex Mini-Fit Jr. зі штирями, які фіксуються в контактах на відповідному гнізді материнської плати. Розетка відповідає специфікації Molex 39-01-2200, а контакти відповідають специфікації 5556. Таким чином, роз'єм являє собою розетку з набором контактів, показаних на рисунку 1.3. Колірне маркування проводів відповідає рекомендаціям стандарту ATX, проте виробник може використовувати інше маркування, так як воно не є обов'язковою умовою, прописаним в специфікації даного стандарту. На рисункуу 1.3 показана розетка з проводами, що дає уявлення про те, як розташовані дроти з іншого боку розетки. Таким чином, можна побачити, як саме розташовані дроти при підключенні роз'єму до материнської плати. Рисунок 1.3 - Основний 20-контактний роз'єм живлення ATX 30 Таблиця 1.1 Схема 20-контактних контактів ATX Схема 20-контактних контактів ATX Колір Знак Контакт Контакт Знак Колір Оранжевий +3,3 В 11 1 +3,3 В Оранжевий Синій -12 В 12 2 +3,3 В Оранжевий Чорний ГНД 13 3 ГНД Чорний Зелений PS_On 14 4 +5 В Червоний Чорний ГНД 15 5 ГНД Чорний Чорний ГНД 16 6 +5 В Червоний Чорний ГНД 17 7 ГНД Чорний Power_G Білий -5 В 18 8 Сірий ood +5 VSB (у Червоний +5 В 19 9 режимі Фіолетовий очікуван ня) Червоний +5 В 20 10 +12 В Жовтий 31 24-контактний основний роз'єм Починаючи з липня 2004 року, на материнських платах став використовуватися новий тип плати розширення - PCI Express. Шина PCI-E дозволяє підключати відеокарти та різні плати розширення за рахунок поєднання функціоналу AGP-слотів та слота PCI. Слот, в якому використовується одна лінія PCI-E, також називається x1 і використовується для підключення плат розширення: мережевих контролерів, звукових карт і т.д. Шина PCI-E включає в себе слот з високою пропускною здатністю - 16 ліній, або х16 - який використовується для підключення відеокарт. Під час розробки інтерфейсу з'ясувалося, що карти PCI-E x16 можуть споживати більше енергії, ніж основний 20-контактний та додаткові 6-контактні роз'єми живлення, особливо по лінії живлення +12V. Проблема полягала в тому, що основний 20-контактний роз'єм живлення включає лише один +12V, а нові відеокарти PCI-E вимагають більше ліній +12V для забезпечення стабільного живлення. З цієї причини був доданий додатковий роз'єм живлення +12В, але цей роз'єм розроблений спеціально для живлення процесора і не використовується для живлення інших пристроїв. Замість того, щоб додати ще один додатковий роз'єм, Intel в кінцевому підсумку вирішила оновити сам основний роз'єм живлення материнської плати. Результат цих доопрацювань був офіційно представлений в лютому 2003 року і отримав назву ATX12V 2.0. Цей стандарт включав дві основні зміни в порівнянні зі стандартом ATX12V 1.x - новий 24-контактний основний роз'єм живлення, а також відмову від 6-контактного допоміжного роз'єму. Оновлений роз'єм отримав чотири нові контакти: +3,3 В, +5 В, +12 В та заземлення відеокарт PCI-E, збільшивши потужність на 75 Вт, а також дозволили відмовитися від допоміжного 6-контактного роз'єму живлення. Роз'єми для нового 24-контактного роз'єму живлення почали з'являтися в материнських платах, починаючи з середини 2004 року. На рисунку 1.4 нижче показано гніздо 32 з 24-контактним роз'ємом. [5] Таблиця 1.2 Схема розташування 24-контактного роз'єму ATX12V Контакти на 24-контактному роз'ємі ATX12V 2.x для живлення материнської плати Контак Колір Знак Контакт Знак Колір т Оранжевий +3,3 В 13 1 +3,3 В Оранжевий Синій -12 В 14 2 +3,3 В Оранжевий Чорний ГНД 15 3 ГНД Чорний Зелений PS_On 16 4 +5 В Червоний Чорний ГНД 17 5 ГНД Чорний Чорний ГНД 18 6 +5 В Червоний Чорний ГНД 19 7 ГНД Чорний 33 Power_Goo - Н/С 20 8 Сірий d +5 VSB (у режимі Червоний +5 В 21 9 Фіолетовий очікування ) Червоний +5 В 22 10 +12 В Жовтий Червоний +5 В 23 11 +12 В Жовтий Чорний ГНД 24 12 +3,3 В Оранжевий 34 Рисунок 1.4 - Основний 24-контактний роз'єм ATX12V 2.x для живлення материнської плати Чотириконтактний роз'єм живлення процесора +12 В Для збільшення лінійного струму +12 В компанія Intel створила нову специфікацію блоку живлення ATX12V. Це призвело до появи третього роз'єму живлення, який отримав назву ATX +12 V і використовувався для подачі додаткової напруги +12 V на материнську плату. Цей 4-контактний роз'єм живлення входить до стандартної комплектації всіх материнських плат, які відповідають специфікації ATX12V та містить Molex Mini-Fit Jr. Згідно зі специфікацією, роз'єм відповідає стандарту Molex 39-01-2040, тип роз'єму – Molex 5556. Це той самий тип контактів, який використовується в основному роз'ємі живлення материнської плати ATX. Цей роз'єм має два контакти +12 В, кожен з яких розрахований на напругу до 8 А (або до 11 А при використанні контактів HCS). Це забезпечує струм в 16 А крім контакту на материнській платі, а в сумі обидва роз'єми забезпечують струм до 22 А по лінії +12 В. 35 Рисунок 1.5 - Роз'єм процесора +12В, вид спереду і розташування контактів Таблиця 1.3 Чотирьохконтактний роз'єм +12V для живлення процесора 4-контактний роз'єм +12V для живлення процесора Контакт Знак Колір Контакт Знак Колір 3 +12 В Жовтий 1 Гнд Чорний 4 +12 В Жовтий 2 Гнд Чорний 1.3 Розрахунок споживаної потужності Системний інтегратор повинен надати технічні характеристики на всі компоненти, які використовуються в системі. Ця інформація зазвичай відображена в довідковому керівництві, але технічні характеристики блоку живлення зазвичай можна дізнатися за наклейкою на ньому. Виробники блоків живлення також зазвичай надають цю інформацію, що є бажаним, оскільки є можливість ідентифікувати виробника та перевірити дані безпосередньо або через Інтернет. Вхідним сигналом є напруга змінного струму, а на виході – список сил 36 струму для кожної лінії. Помноживши силу струму на напругу, можна розрахувати потужність блоку живлення для кожної лінії: Вати (Вт) = Вольти (В) х Ампери (А) Наприклад, якщо одна з ліній +12V має струм 8А, то потужність становить 96W, згідно з цією формулою. Склавши напругу та струм на кожному з основних виходів, можна розрахувати загальну потужність блоку живлення. Зверніть увагу, що в цих розрахунках беруть участь тільки позитивні напруги. Негативні напруги, резервні лінії, Power_Good та інші допоміжні сигнали не враховуються при розрахунку потужності БЖ. Більшість блоків живлення вважаються універсальними, тобто їх можна використовувати в будь-якій точці світу. Іншими словами, вони можуть працювати в мережах змінного струму 127 В / 60 Гц (США), 240 В / 50 Гц (Європа і деякі інші країни), 220 В / 50 Гц (Росія). Перемикання на відповідний режим вхідного струму, як правило, здійснюється в автоматичному режимі, хоча все ще іноді зустрічаються БЖ, оснащені тумблером 127/240 В на задній панелі. [6] Тестові пристрої блоку живлення ПК Існує ряд пристроїв для перевірки блоків живлення ПК. Деякі з них виготовляються промисловим способом. Більшість таких тестерів призначені для вимірювання основних напруг на виході блоку живлення ATX: +5В, +12В, +3,3В і, так звана «резервна напруга» +5VESB. DA-70601 від DIGITUS 37 Рисунок 1.6 - Тестер БЖ DA-70601 Пристрій має РК-екран для відображення напруги блоку живлення ATX. Він підключається до 24-контактного роз'єм блоку живлення. Зображення тестера БЖ DA-70601 наведено на рисунку 1.6. За допомогою цього тестера можна перевірити напругу на наступних контактах БЖ: +5В, +3,3В, +5ВАСБ з точністю до ±5% та +12В з точністю до ±10%. Є більш прості моделі, які можуть показувати тільки наявність напруги на кожному з висновків БЖ, але не показують його значення. Зображення таких тестерів наведено на рисунку 1.7: 38 Рисунок 1.7 – Простий тестер блоку живлення зі світлодіодною індикацією Метод перевірки БЖ за допомогою характеристик перехресного навантаження - КНХ - став дуже популярним серед організацій, що займаються ремонтом і обслуговуванням комп'ютерної техніки . КНХ має вигляд замкнутої кривої і побудований в двовимірній системі координат: по осі абсцис наноситься значення потужності, що випромінюється ланцюгом +12В, по осі ординат наноситься сумарна потужність ланцюгів +3,3В і +5В. Відповідаючи певній вихідній потужності і розташовуючись в межах обмеженої заданою кривою області, БЖ зобов'язаний подавати на навантаження стабільні напруги із заданою точністю і рівнем пульсацій на виході. Тип характеристики поперечних навантажень показаний на рисунку 1.8: 39 Рисунок 1.8 - Характеристики поперечних навантажень Пристрої для зняття характеристик поперечного навантаження досить складні і дорогі. Для роботи таких установок потрібне спеціалізоване програмне забезпечення, як для персонального комп'ютера, так і для мікроконтролера. [7] Структурна схема установки для зняття КНХ показана на рисунку 1.9: Рисунок 1.9 - Структурна схема установки для зняття КНХ 40 Рисунок 1.10 - Програмне забезпечення для зняття КНХ 41 РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА ТЕСТОВОГО СТЕНДУ БЛОКУ ЖИВЛЕННЯ ПК 2.1 Призначення пристрою Основним форм-фактором блоків живлення в сучасних комп'ютерах є ATX. Для даного дипломного проекту була обрана схема, що дозволяє вимірювати чотири основні напруги таких джерел живлення ATX: +5V, +5VSB, +12V і +3.3V. Цей прилад призначений для вимірювання та візуальної індикації рівня напруги на цих клемах БЖ. За своїми характеристиками, вимірюваними напругами і функціональністю ця схема порівнянна з промисловими аналогами. 2.2 Структурна схема пристрою Рисунок 2.1 – Структурна схема випробувального стенду для блоків живлення ATX У структурній схемі, наведеній на рисунку 2.1, використовуються такі умовні позначення: БЖ – блок живлення; БН – блок навантаження; ВМ – чотириканальний вольтметр; BI – блок індикації. Конструктивно випробувальний стенд БЖ складається з блоку навантаження, чотирьохканального вольтметра і блоку індикації. Навантажувальний вузол необхідний з тієї причини, що сучасні БЖ не 42 пристосовані для роботи в режимі «холостого ходу». Крім того, перевірка роботи блоку живлення під навантаженням дозволяє більш точно оцінити різницю між номінальною і реальною робочою напругою на виході БЖ. Чотирьохканальний вольтметр призначений для одночасного вимірювання чотирьох основних напруг джерел живлення ATX. Перевагою одночасного вимірювання є зручність зняття показань для користувача. Крім того, при вимірюванні напруги по чотирьох каналах одночасно режим роботи блоку живлення ближче до реального, а, отже, зняті таким приладом показання, дозволяють більш точно оцінити різницю між номінальною і реальною напругою на виході блоку живлення. Блок індикації призначений для надання користувачеві чіткої і легкої для розуміння інформації про величину напруг, виміряних чотирьохканальним вольтметром. Для індикації рівня напруги на кожному каналі були обрані десятисегментні світлодіоди. Зовнішній вигляд і принципова схема індикаторів показані на рисунку 2.2. Схематично стовпчасті індикатори являють собою кілька світлодіодів (найпоширеніша кількість – десять), поміщених в один корпус. І анод, і катод кожного світлодіода зазвичай підключаються до окремого контакту корпусу, що спрощує управління і відрізняє штрихові індикатори від семисегментних дисплеїв по схемі перемикання. Найбільш поширеними кольорами світлового індикатора є червоний і зелений. Використання даного типу індикаторів дозволяє значно зменшити фізичні розміри і підвищити ремонтопридатність пристрою. Розташування висновків має на увазі можливість установки в стандартні панелі DIP-20. [8] 43 Рисунок 2.2 - Десятисегментний стовпчиковий світлодіодний індикатор Мікросхеми LM 3914 Вольтметр з чотирьохканальним каналом зібраний на мікросхемах LM3914 (світлодіодний лінійний драйвер). Мікросхеми LM3914, LM3915 і LM3916 від National Semiconductors дозволяють будувати світлодіодні індикатори з різними характеристиками - лінійними, розтягнутими лінійними, логарифмічними, спеціальними для контролю звукового сигналу. Структура базової мікросхеми сімейства LM3914 показана на рисунку 44 2.3. В його основі лежать десять компараторів, на зворотні входи яких подається вхідний сигнал через буферний операційний підсилювач, а прямі входи підключаються до відводів резистивного дільника напруги. Виходами компараторів є генератори струму припливу, що дозволяє підключати світлодіоди без обмежувальних резисторів. Індикація може здійснюватися як одним світлодіодом (режим «точка»), так і лінією світлодіодів, що світяться, висота яких пропорційна рівню вхідного сигналу (режим «колонка»). Вхідний сигнал Ubх подається на висновок 5, а напруги, що визначають діапазон зазначених рівнів, подаються на висновки 4 (нижній рівень Uh) і 6 (верхній рівень Ub). Ці напруги повинні бути від 0 до 1,5 В менше, ніж напруга джерела живлення, підключеного до контакту 3. «Ціна поділки» індикатора, тобто збільшення вхідної напруги, що викликає включення чергового світлодіода, становить 0,1 від різниці Ub - Uh. [9] 45 Рисунок 2.3 - Структура мікросхеми LM3914 Параметри мікросхеми LM3914 наведені в таблиці 2.1. 46 Таблиця 2.1 Параметри мікросхеми LM3914 Параметр Умови вимірювання Хв. Тип. Макс. Напруга зсуву буферного Uh<12B, 1SV = 1 підсилювача і першого — 3 10 мА компаратора, мВ Напруга зсуву інших компараторів, Ух< 12В, Isb = 1 мА — 3 15 мВ Нахил передавальної характеристики компараторів, ICV = 10 мА 3 8 — мА/мВ Вхідний струм по інв. 5, нА 0< Uвx < Uпит-1,5В — 25 100 Максимальний вхідний сигнал, В — -35 — +35 Загальний опір дільникових — 8 12 17 резисторів, кОм Точність дільника резистора, % — — 0,5 2 Запит = 5 В, IREF = Опорна напруга джерела UREF, В 1,2 1,28 1,34 0,1... 4 мА Зміна в UREF при зміні Upit, %/B Uпіт = 3...18В — 0,01 0,03 Зміна UREF при зміні струму Потреба = 5 В, IREF — 0,4 2 навантаження IREF, % = 0,1...4 мА Т = 0,"70 °C, Зміна UREF при зміні Запит = 5 В, IREF = — 1 — температури, % 1 мА Струм контакту 8, мкА — — 75 120 47 Вихідний струм (світлодіодний IREF = 1 мА 7 10 13 струм), мА ICB = 2 мА — 0,12 0,4 Розкид вихідного струму ICB = 20 мА — 1,2 3 UBЫX = ICB = 2 — 0,1 0,25 мА Зміна вихідного струму при зміні вихідної напруги, мА 2. .. 17 В 1 Зв = 20 — 1 3 мА До тих пір, поки вхідна напруга Uх менше вхідного Un плюс «ціна поділки», світлодіод не загоряється. Як тільки ці напруги зрівняються, включається світлодіод HL1, підключений до виходу 1. У режимі «точка», коли вхідна напруга зростає, струм на виході 1 припиняється і з'являється вихідний струм 2, при цьому перший світлодіод гасне, а другий включається одночасно, світіння плавно переходить від одного світлодіода до іншого, і немає ситуації, коли обидва світлодіода гаснуть. У режимі «колонка» включення наступного світлодіода, звичайно ж, не викликає згасання попереднього. Мікросхема LM3914 призначена для побудови індикаторів з лінійною шкалою, причому всі резистори її дільника мають однаковий опір. Типова схема подачі вхідного сигналу на мікросхему показана на рисунку 2.4. Опір резистора R1 вибирається за рівнем вхідного сигналу Umax, при якому повинен бути включений верхній світлодіод шкали, за формулою: R1 = R2(UMAX/1,25-1). Вхідний опір мікросхеми дуже велике, тому в більшості випадків його можна ігнорувати при розрахунку номіналу резистора R1. Напруга живлення мікросхеми має бути в діапазоні від 3 до 25В. 48 Напруга живлення світлодіодів має бути не менше 3В і не більше напруги живлення мікросхеми. Живлення мікросхеми в безпосередній близькості від неї повинно бути шунтовано оксидно-танталовим конденсатором ємністю не менше 2,2 мкФ або алюмінієвим 10 мкФ. Можлива подача в ланцюг світлодіода випрямленого нефільтрованого напруги з частотою 50 Гц, але при цьому до цього ланцюга необхідно підключити такий же блокуючий конденсатор, як і до мікросхеми. Рисунок 2.4 - Типова схема подачі вхідного сигналу для мікросхеми LM3914 Опір резистора R3 визначає силу струму через світлодіоди. 49 2.4 Опис схеми пристрою Кожен з чотирьох каналів використовує одну мікросхему LM3914 і один десятисегментний світлодіод для вимірювання та індикації напруги. Вольтметри для каналів +5V і +5BSB ідентичні. Так як струм, що проходить по ланцюгу, невеликий, використовувалися резистори, розраховані на потужність до 0,25 Вт. Це дозволило значно підвищити компактність пристрою і знизити його вартість. Для вимірювання напруги на каналі +12В використовувався додатковий дільник напруги, так як амплітуда вхідного сигналу на мікросхемі не повинна перевищувати 12В. Схема вольтметра для каналу 3,3В також відповідає стандартній. Єдиною відмінністю є відсутність резистора між шостим і сьомим висновками мікросхеми. Його відсутність продиктована низькою вхідною напругою в порівнянні з попередніми каналами. У схему приладу були введені підлаштовуючі резистори для більш точного регулювання показання вимірюваної напруги. Рисунок 2.5 – Друкована плата приладу 50 Друкована плата, показана на рисунку 2.5, була розроблена в додатку Sprint-Layout п'ятої версії. Sprint-Layout (SL) є високоефективним інструментом для проектування односторонніх і двосторонніх друкованих плат. Ця програма містить всі необхідні функції для створення топології плати з максимальним розміром 300х300 мм. SL дозволяє зберігати файли у форматах Gerber та Excellon, які є стандартом для обміну даними при виробництві друкованих плат. SL оснащений інструментами для формування майданчиків різної форми (як для вихідного, так і поверхневого монтажу), провідників, полігонів, тексту тощо. Фоторезист – це світлочутлива речовина, яка змінює свої властивості під впливом світла. Останнім часом на білоруському ринку з'явилося кілька видів імпортних фоторезистів в аерозольній упаковці, які особливо зручні у використанні. після цього відкриті ділянки фоторезисту змивають спеціальним розчинником, яким є їдкий натрій (NaOH). Всі фоторезисти діляться на дві категорії: позитивні і негативні. Для позитивних фоторезистів слід на платі відповідає чорній області на фотомасці, а для негативних фоторезистів, відповідно, прозорий. Позитивні фоторезисти є найбільш поширеними як найбільш зручні у використанні. Весь процес виготовлення друкованої плати можна розділити на сім основних етапів: Попередня підготовка заготовки (очищення поверхні, знежирення); Нанесення захисного покриття; Видалення міді з поверхні плати (травлення); Очищення заготовки від захисного покриття; Свердління отворів; Покриття дошки флюсом; Лудіння. Травлення друкованої плати проводилося за допомогою хлориду заліза. Цей реагент дозволяє якісно і за короткий проміжок часу видалити з заготовки ділянки міді, які не покриті захисним шаром. 51 На рисунку 2.6 показаний зовнішній вигляд друкованої плати пристрою. Рисунок 2.6 – Зовнішній вигляд друкованої плати пристрою Для захисту від зовнішніх електромагнітних впливів прилад був поміщений в екрануючий металевий корпус. На лицьовій стороні корпусу є чотири індикатори рівня вимірюваних напруг. На тильній стороні є роз'єм для підключення блоку живлення, що тестується, і решітка, призначена для охолодження плати. [10] 52 Рисунок 2.7 - Зовнішній вигляд стенду блоків живлення ATX Зовнішній вигляд стенду для тестування блоків живлення форм-фактора ATX показаний на рисунку 2.7: 53 РОЗДІЛ 3 РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ ПРИЛАДУ Надійність - це властивість об'єкта виконувати необхідні функції, зберігаючи свої показники продуктивності протягом заданого періоду часу. Надійність - це комплексна властивість, яка поєднує в собі поняття працездатності, надійності, довговічності, ремонтопридатності і безпеки. Працездатність - це стан об'єкта, в якому він здатний виконувати свої функції. Надійність - це властивість об'єкта зберігати свою працездатність протягом певного часу. Подія, що порушує працездатність об'єктів, називається збоєм. Збій, що самоприпиняється, називається збоєм. Довговічність - це властивість об'єкта зберігати свою працездатність до граничного стану, коли його експлуатація стає неможливою через технічні, економічні, безпекові умови або необхідність капітального ремонту. Ремонтопридатність - визначає пристосованість об'єкта до попередження і виявлення несправностей і несправностей і їх усунення шляхом проведення ремонту і технічного обслуговування. Консервація - це властивість об'єкта безперервно зберігати свою працездатність під час і після зберігання і обслуговування. Основними якісними показниками надійності є ймовірність безвідмовної роботи, інтенсивність відмов і середнє напрацювання на відмову. Імовірність відмови P(t) - це ймовірність того, що протягом заданого проміжку часу t відмова об'єкта не відбудеться. Цей показник визначається відношенням числа елементів об'єкта, які безвідмовно відпрацювали до часу t до загального числа елементів об'єкта, що знаходяться в робочому стані в початковий момент. Р (т) = е -тп,(3.1) 54 де - відсоток відмов; е - основа натуральних логарифмів; ТП – час безвідмовної роботи виробу (визначається завданням на проектування). Ще однією характеристикою надійності виробів є час між відмовами Тср. При цьому фіксується загальна кількість годин t, які відпрацювали вироби, і число відмов, що відбулися n. ТКР т/н.(3.2) Кількісним показником надійності є середній час до відмови, отриманий при тестуванні досить великої кількості виробів. Чим вище Тrr, тим вище надійність виробу. Величина, обернена до Tsr, називається частотою відмов: = 1 / Тср.( 3.3) Розмірність частоти відмов становить 1/год. Частота відмов виробу, що складається з N різних елементів, визначається за формулою = 1 + 2 +...+ Н, (3.4) де 1, 2, ... N - частота відмов першого, другого і N елементів з урахуванням всіх факторів впливу. [11] У таблиці 3.1 показана частота відмов (t) деяких елементів. 55 Таблиця 3.1 Частота відмов радіодеталей Ім'я λ0 10-6, ч -1 Кремнієві діоди: -Випрямлення 0,2 -Універсальний 0,1 -Імпульс 0,05 - Стабілітрони 0,1 Кремнієві транзистори малої потужності (біполярні): 0,5 -Низька частота 0,25 - Середньочастотні 0,2 - високочастотні Кремнієві транзистори середньої потужності (біполярні): 1,3 - Середньочастотні 0,5 - високочастотні Польові транзистори 0,1 Конденсатори: -Керамічні 0,05 -Склянка 0,1 -Папір 0,1 - Комбінована плівка 0,05 - Електролітичний алюміній 0,50 Резистори постійні: - Без проводів 0,04 -Дріт 0,05 Перемикання продуктів 1,0 56 Трансформатори 0,2 Контакт типу одного роз'єму: -РМ 0,003 - СНК 0,002 -РН 0,02 - СНиП 0,005 Чіпи 0,1 Кварцові резонатори 1,1 Рідкокристалічні індикатори 2,8 Пайка з'єднань 0,005 Частота відмов (t) - це число відмов n(t) елементів об'єкта за одиницю часу, пов'язане з середнім числом елементів об'єкта Nt, які працюють в момент часу ∆t: (t)=n(t)/(Nt∙∆t),(3.5) де ∆t - даний проміжок часу. Частота відмов компонентів базується на довідкових даних. Таблиця 3.2 Частота відмов Найменування Кількість λ(t)10-6, ч-1 товару Пайка контактних 154 0,2 точок 57 Чіп 4 0,1 Резистор постійний 17 0,04 недротовий СВІТЛОДІОДНІ 40 0,1 λ(t) = 0,2 10-6∙154+0,1 10-6∙4+0,04 10-6∙17+0,1 10-6∙40 = 35,88 10-6 1/ч. (3,6) Імовірність безвідмовної роботи стенду за 1000 годин розраховується за такою формулою: Р(1000) = е-0,0358.( (3.7) Таким чином, ймовірність безвідмовної роботи стенду через 1000 годин становить Р(1000) = 0,964756.( 3.8) Знаючи величину частоти відмов, можна визначити час безвідмовної роботи пристрою: Tsr = 1/0,0000358. (3.9) Таким чином, середній час напрацювання на відмову цього пристрою становить 27870,68 годин. Підставка Блок живлення Енергозбереження 58 ВИСНОВКИ Блоки живлення персональних комп'ютерів є невід'ємною складовою системного блоку. Своєчасне технічне обслуговування джерел живлення дозволяє запобігти виходу з ладу складних та дорогих елементів ПК. Від правильного функціонування блоку живлення залежить працездатність усієї комп'ютерної системи загалом. Для своєчасного діагностування несправностей чи відхилення характеристик БЖ від номінальних значень необхідне спеціалізоване устаткування – стенди тестування блоків живлення. У даній кваліфікаційній роботі бакалавра проведено аналіз існуючих сучасних пристроїв, який дозволив сформувати напрямок проектування. З урахуванням недоліків аналогів та вимог технічного завдання. був розроблений стенд для тестування БЖ АТХ. Також було розглянуто питання сумісності блоків живлення різних форм-факторів. 59 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Пащенко В. П., Тищенко В. І. Основи теорії електронних кіл: Підручник. — К.: Вища школа, 2018. — 512 с. 2. Маликов В. А. Імпульсні джерела живлення: проектування, аналіз, діагностика. — Харків: Ранок, 2016. — 368 с. 3. Бень А. А., Волков А. Н. Теорія електричних і електронних кіл. — Львів: Видавництво ЛНУ, 2020. — 384 с. 4. Попов С. І. Автоматизовані вимірювальні системи: навч. посібник. — К.: Ліра-К, 2021. — 320 с. 5. Microchip. AN1149 — Power Supply Testing Techniques Using PIC Microcontrollers. Microchip Technology Inc., 2017. — https://www.microchip.com 6. Saidani, A., Bacha, S., Munteanu, I. Fault Diagnosis in DC-DC Converters Using Neural Networks // IEEE Transactions on Power Electronics, 2020. — Vol. 35, No. 2. — pp. 1532–1542. 7. Практика використання Arduino для діагностики електричних систем // Радіоаматор. — 2021. — №4. — С. 15–22. 8. Іванов А.О. Теорія автоматичного керування / А.О. Іванов. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет. – 2019. – 250 с. 9. Лавріненко Ю.М., Марченко О.С., Савченко П.І., Синявський О.Ю., Войтюк Д.Г. Лисенко В.П. Електропривод: підручник (за ред. Лавріненка Ю.М.). – К.: вид-во Лір-К., 2018. – 504 с. 10. Bishop. Robert H. The Mechatronics handbook / Robert H. Bishop. – Austin: The University of Texas at Austin. – 2020. – 1229 p. 11. Козловський О.В., Кухарчук В.В., Поджаренко В.О. Мікропроцесорні засоби вимірювання контролю обертового моменту: Монографія. - Вінниця: УНІВЕРСУМ, 2018. – 125 с. 12. F.A. Toliyat, S.G. Campbell, «DSP-based electromechanical motion control», CRC Press, 2004. 60 13. Логінов А., Фадєєв І. Застосування DSP мікроконтролерів в керуванні вентильними двигунами без датчика положення ротора // Електронні компоненти. 2020. №4 14. Офіційна документація Arduino Uno R3 — https://docs.arduino.cc