Дипломная (вкр): Методика диагностирования и ремонта источника питания системных блоков

Выпрямленное напряжение (примерно 300V) поступает на полумостовой инвертор VT1VT2C7T3 . Инвертор собран по схеме с самовозбуждением, для чего здесь имеется ПОС от "средней точки" через T2 - там есть специальный отвод. Хитроумные цепи в базах силовых транзисторов VD2R10C2R11R12R13 накапливают положительные +0.7V для открытия этих самих транзисторов. Однако параметры этих цепей подобраны таким образом, что инвертор без внешнего управления способен вырабатывать нестабильные и укороченные импульсы, которые при выпрямлении всегда дают половинные напряжения (2-3V вместо 5V, 6-8V вместо 12V). Это сделано специально, чтобы неуправляемый блок питания не смог спалить электронные схемы компьютера. Работающий в неуправляемом режиме инвертор может запитать только контрольную часть блока питания, а схемы компьютера сигналом PowerGood выведены в состояние глубокого сброса.

Трансформированные с помощью T3 импульсы из высоковольтных в высокоамперные поступают на выходной выпрямитель. В цепях +5V/+12V применены высокоамперные переключающие диоды VDM2VDM3 с пониженным напряжением включения, например диоды Шоттки. Для улучшения характеристик у каждого выпрямителя выравнен коэффициент мощности с помощью цепочек R51C19 , R14C13 , R15C14 .

На выходе выпрямителя получаются импульсные напряжения амплитудой примерно в 2 раза выше номинальной, т.е., например на выходе диода в цепи +12V мы можем увидеть +24V. Но ничего страшного здесь нет, ведь импульсы прямоугольные, а впереди - сглаживающий фильтр. Поскольку частота работы инвертора составляет десятки килогерц, то и сглаживающий фильтр получается простым, маленьким и вместе с этим очень эффективным. Резисторы R52R53R39R40 на первый взгляд совершенно не нужные - будучи параллельно включенными, они только рассеивают мощность. Они нужны только тогда, когда блок питания включается без нагрузки. Как известно, у всех импульсников общая болезнь - недопустимое и неуправляемое повышение выходного напряжения при отсутствии нагрузки вследствие полной зарядки конденсаторов фильтра (например 7V вместо 5V). Вот здесь на помощь и приходят резисторы, создающие ту самую минимальную нагрузку.

От выхода +12V через R38 получает питание вентилятор. Необходимость в R38 вызвана тем, что иногда вентилятор может выйти из строя и закоротить свои питающие выводы. Теперь спускаемся по схеме вниз от силовой к контрольной части. Спуск произведём по цепи питания контрольной части. Здесь имеется отвод от выпрямителя +12V, расположенный до сглаживающего фильтра. Как уже выше указывалось, в этой точке действует удвоенное импульсное напряжение +24V. С помощью диодного выпрямителя VD17C23 импульсное напряжение превращается в почти такое же по амплитуде, но постоянное. Цепочкой R21C22 оно ещё и сглаживается. А теперь посмотрим на процесс запуска блока питания. Неуправляемый инвертор создаёт на выходе блока питания половинные напряжения. В частности, на цепи +12V с выхода сглаживащего фильтра будет 6-8V. На выходе же выпрямителя до фильтра - 12-14V! Вот это напряжение и питает управляющие схемы. Вообще всё питание контрольной части можно поделить на два вида: обычное и стабилизированное. Обычное может варьироваться от +12V до +24V. Стабилизация производится встроенным в микросхему TL494 стабилизатором, на выходе которого получается +5V.

Прежде всего, стабильное напряжение запитывает саму микросхему TL494. Запускается встроенный генератор, частота которого определяется цепочкой R31C28 , пилообразный сигнал которого поступает на компараторы внутри TL494 . Однако в момент пуска компараторы "заглушены" сигналом мёртвого времени, подаваемого на вывод DT . Так сделано для того, чтобы "устаканить" все переходные процессы в схеме, имеющиеся в момент включения устройства. Цепочка R25R30C26 постепенно заряжается и постепенно задействует всю большую и большую часть пилы для регулирования напряжения.

Принцип действия системы регулирования выходного напряжения основан на сравнении выходного напряжения +5V с опорным. Система регулирования не ограничивает работу инвертора, а наоборот, усиливает, как бы "подгоняет" его. Сравнение организовано с помощью двух делителей R34R27 , R24R28 и компаратора, имеющегося у TL494 . Если выходное напряжение мало, с выходов TL494 начинают поступать импульсы дополнительной раскачки инвертора. Эти импульсы подаются на транзисторные ключи R20R32VT4VD8R18VT9VD9 . Цепочка VD11VD12C21 создаёт на эмиттерах этих транзисторов напряжение порядка 1.5V, что приводит к их более надёжному закрытию отрицательным (относительно эмиттеров) напряжением с TL494 . Транзисторные ключи образуют собой ещё один инвертор VT4VT9T2 , который и раскачивает основной инвертор VT1VT2C7T3 .

Система защиты собирается на другой микросхеме, счетверённом компараторе LM339 . Назначение этой схемы - предотвратить подачу рабочих напряжений, если какое-то одно из них отсутствует или находится в недопустимых пределах. Фактически схема может только вывести инвертор в неуправляемый режим. Например, нету +5V - нечего блоку выдавать +12V/-12V, или же нет -5V - не должно выходить +5V, а то как бы чего не вышло (вспомним убожеский советский процессор КР580ВМ80). Задача сама себе противоречивая, ведь тогда как включить такой блок питания, когда нет ни одного рабочего напряжения? Это решается небольшой задержкой, в ходе которой допускается отсутствие какого-либо напряжения. Больше - ни-ни, моментальный уход в неуправляемый режим.

Итак, "глазами" или "ушами" системы защиты является хитрое нагромождение резисторов с диодами. Контроль организован по наличию напряжений -5V, -12V, по отсутствию перенапряжения на линии +5V и по чрезмерной раскачке управляющего трансформатора T2 - явному признаку неисправности силового инвертора (ведь он должен самовозбуждаться на половинной мощности). Напряжение +12V не контролируется, поскольку если его не будет, не будет работать вся контрольная часть блока питания. Уровень раскачки трансформатора T2 измеряется по индуцируемому им напряжению на резисторах R17R50 . Здесь обычно ставят разные резисторы либо лепят спайку, видимо регулируют на заводе-изготовителе. Оно и понятно: трансформатор, тем более импульсный - самый трудно контролируемый элемент.

В-общем, напряжение с цепочки R17R50VD7 сглаживается фильтром R16C25 и подаётся на делитель R41R45R46 . Тут же на этот же делитель через VD15R47 подаётся +5V с выхода блока питания. Давайте рассчитаем напряжения. Опорное напряжение на компараторах, судя по цепочке R56R43 , равно 1.7V. Компаратор DA2.2 будет срабатывать, если в точке R45R46 также будет 1.7V. Значит, в точке R47R45 должно быть 5.1V. Далее у нас диод VD15 с его 0.7V и окончательно получаем 5.8V - порог срабатывания от перенапряжения. Поскольку R47 значительно меньше R41 , защита от перенапряжения срабатывает всегда вне зависимости от уровня раскачки трансформатора. И с другой стороны, если нет перенапряжения, можно контролировать раскачку трансформатора. Получается как бы резистивное "И" - независимый контроль двух параметров минимальным числом элементов.

Контроль наличия напряжений -5V и -12V реализован на цепочке R36R49VD16R48 и компараторе DA2.1 . В рабочем режиме диод VD16 всегда открыт и через него всегда протекает ток на линию -12V. То есть на R48 присутствует напряжение -5.7V. С помощью делителя R36R49 это напряжение смещается вверх, но всё равно его будет недостаточно для срабатывания компаратора. Теперь представим, что -5V пропало. Это равносильно тому, что на линии -5V будет присутствовать нулевой потенциал (благодаря резистору холостого хода R53 ). На входе компаратора в точке R36R49 напряжение повысится и компаратор сработает. Ну а если пропадает -12V? Тогда диод VD16 запирается, и на всём делителе устанавливается напряжение примерно +5V, соответвенно компаратор опять срабатывает.

Сигнал с обоих компараторов объединяется и поступает на линию задержки, реализованную на цепочке R44C24R22VT5 . Формируемая здесь задержка на срабатывание крайне важна при запуске блока питания. Однако если всё-таки срабатывание защиты произошло, происходит два события. Во-первых, система "защёлкивается" через VD14 . На делителе R36R49 навсегда заводится +5V, и вернуть в прежнее состояние схему можно будет только после выключения блока питания и выдержки его в течении нескольких секунд. Во-вторых, через VD13 положительный сигнал разряжает конденсатор C26 в цепи формирования мёртвого времени у TL494. То есть генератор перестаёт формировать управляющие импульсы, и инвертор уводится в неуправляемый режим.

Цепь формирования сигнала PowerGood начинается с цепочки R22C25 . Поскольку постоянная времени такой цепочки - примерно полсекунды, за такое время блок питания должен будет гарантированно запуститься и сообразить что все выходные напряжения в норме. В противном случае будет производиться срыв колебаний и включение разрядного транзистора VT6 . Транзистор этот включен по токовой схеме, благодаря чему удаётся избежать слишком больших токов разрядки C25 . На конденсаторе C25 формируется плавно меняющеся напряжение, непригодное для управления цифровыми схемами. Поэтому в блоке питания имеется триггер Шмидта, реализованный на цепочке DA2.3R33R42 . Выход PowerGood привязывается к выходному напряжению +5V и в таком виде подаётся в системную плату компьютера.

1.3 Схемотехнический анализ устройства микропроцессорной системы, электрические и эксплуатационные параметры электрических компонентов, образующих элементную базу

Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности без частотной коррекции. Корпус К140УД1 (А-В) типа 301.12-1, масса не более 1,5 г., КР140УД1 (А-В) типа 201.14-1 масса не более 1,5 г.

Рис.1.3 Корпус К140УД1

Рис.1.4 Электрическая схема КР140УД1 (К140УД1)

Таблица.1.1 Электрические параметры микросхемы

Таблица.1.2 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Рекомендации по применению

При одновременной подаче на входы ИС синфазного и дифференциального входных напряжений потенциал на каждом входе не должен превышать 1,5 и 3 В для К140УД1А, КР140УД1А; 3 и 6 для К140УД1(Б,В), КР140УД1(Б,В). Зарубежные аналоги µ A702HC, µ A702PC.

2. Конструкторский раздел

2.1 Методика диагностирования устройства

2.1.1 Типовые неисправности устройства и их возможные причины

Проблемы, которые могут иметь место при неисправности блока питания, можно классифицировать как очевидные и неочевидные.

К очевидным относятся: компьютер вообще не работает, появление дыма, сгорает предохранитель на распределительном щите.

Неочевидные с целью исключения ошибок определения неисправного элемента требуют дополнительного диагностирования системы, тем не менее они могут быть связаны с работоспособностью источника:

ü Любые ошибки и зависания при включении питания.

ü  Спонтанная перезагрузка и периодические зависания во время обычной работы.

ü  Хаотические ошибки четности и другие ошибки памяти.

ü  Одновременная остановка жесткого диска и вентилятора (нет +12 В), перегрев компьютера из-за выход строя вентилятора.

ü  Удары электрическим током во время прикосновения к корпусу компьютера или разъемам.

ü  Небольшие статические разряды, нарушающее работу сети.

Особое внимание обращают на цепь формирования сигнала «Питание в норме», ранняя подача этого сигнала может приводить к искажениям CMOS-памяти. Типовые неисправности, непосредственно связанные с нарушением работоспособности источника питания, приведены в таблице 2.1.

Источник питания представляет собой сложное радиоэлектронное устройство, ремонт которого необходимо осуществлять, точно представляя его работу и владея навыками нахождения и устранения дефектов. При ремонте рекомендуется комплексное использование всех доступных способов поиска неисправностей.

Табл. 2.1  Типовые неисправности источников питания

2.1.2 Варианты устранения неисправностей

Необходимо помнить, что источник импульсного питания не работает без нагрузки, подсоединение к сети должно происходить только через развязывающий трансформатор, отсутствие работоспособности источника может связано со схемой управления режимами.

При включении блока питания сгорает предохранитель.

Алгоритм поиска неисправностей:

При отключенном электропитании импульсного преобразователя тестером провести проверку целостности транзисторов. Дополнительно проверить отсутствие электрического контакта корпусов этих транзисторов с радиатором. Если требуется замена транзисторов, то аналоги должны соответствовать оригинальным приборам по рабочим уровням напряжений, тока, а также по частотным характеристикам.

После подачи питания запуска источника не происходит

Алгоритм поиска неисправностей:

В схеме с самовозбуждением узел начального питания ШИМ преобразователя подключается к выходу выпрямителя канала +12 В.

Короткое замыкание в канале с отрицательным номиналом напряжения не вызывает блокировки источника.

Возможная причина: нарушение электрических связей в канале защиты от перегрузки.

Алгоритм поиска неисправностей:

Такой эффект может возникнуть при К3 в канале -5 В, если неисправен диод или он не присоединен к выходу этого канала. Проверить исправность диода и корректность его подключения в электрической цепи.

Вторичные напряжения в норме. С данным блоком питания компьютер не включается.

Алгоритм поиска неисправностей:

Каскад на транзисторе вырабатывает сигнал высокого логического уровня с задержкой относительно времени установления вторичных напряжений. Для того чтобы идентифицировать неисправность в каскаде формирования сигнала «питание в норме», при включении источника нужно проследить логику срабатывания элементов, подключенных к транзистору и самого транзистора. Отказавший элемент заменить.

2.1.3 Методика диагностирования

Ремонт следует начинать с внешнего осмотра рекомендуемого устройства в выключенном состоянии, при котором необходимо обращать внимание на исправность предохранителя и любое изменение внешнего вида элементов схемы (цвета корпуса). При определении неисправного элемента следует обратить внимание на исправность всех элементов, подключенных к этой цепи. Ремонт следует проводить технически исправными приборами, с использованием низковольтных паяльников, питающихся через разделительный трансформатор. Как показывает практика из всех элементов системного модуля наибольшее число отказов приходиться на блоки питания. Наибольшие число отказов блоков питания связано с «неумышленными» неисправностями, к которым относится перепутывание напряжения питания, т.е включение блока в сеть с неправильно установленным переключателем напряжения питания (в сеть 220 В включается блок питания, в котором переключатель установлен на 115 В). Результат такой эксплуатации сопровождается мгновенным взрывом конденсаторов низкочастотного фильтра сгоранием термистора и, естественного, предохранителя. Поэтому перед первым включением источника питания обращают внимание на положение переключателя типа питающей сети. После проведения ремонта рекомендуется адаптировать аппарат под нашу сеть, исключив (методом выпаивания) все элементы, влекущие возможность ошибочного включения источника.

Любой ремонт начинается с предварительного внешнего осмотра. Это в большинстве случаев позволяет отремонтировать блок питания даже при отсутствии достаточной информации.  Нежелательно производить ремонт без развязывающего трансформатора и нагрузки. Рекомендуется для блока питания мощностью 200 Вт использовать для источника питания +5 В нагрузку сопротивлением 4,7 Ом (50 Вт), а для источника +12 В нагрузку 12 Ом (12 Вт). Достаточно эффективной нагрузкой источника питания по каналу +12 В являются автомобильные лампочки на 12 В. Учитывая требования к точности, выходные напряжения желательно проверять цифровым мультиметром. Проведение ремонтных работ любого электронного устройства в большинстве случаев имеет комплексный характер. Поиск неисправностей, ее локализация и устранение производится, как правило, с помощью контрольно-диагностических измерительных приборов. После любого вида ремонтно- восстановительных работ необходимо проводить тщательную предварительную проверку функционирования узлов блока питания по методике. В некоторых случаев постепенная проверка каскадов позволяет определить дефекты, не выявленные ранее, и проконтролировать правильность проведенных замен элементов. Все операции по измерению электрических режимов работы элементов силового каскада следует проводить согласно рис. 2.1 при подключении источника питания к сети питания через трансформатор развязки.