Силовые транзисторы в блоках питания пк

Вся статья — калька с английского, причём с американского. Там подобные блоки питания пластиковый корпус с вилкой называют wall wart — настенная бородавка, видимо из-за того, что они портят внешний вид комнаты. Возможно таким образом пытались описать тиристорное регулирование напряжения. Собственно далее по тексту упоминается именно такой по сути БП от телетайпа, хотя конечно это ни разу не импульсник. Ну это просто какой современный ппц, потому что ещё лет пятнадцать назад все делалось на и , и эти микросхемы продавались даже в райцентрах! Войдите , пожалуйста.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Ремонт блоков питания
• Компьютерный блок питания
• Как устроен блок питания, часть 5
• Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования
• Блок питания АТ: под нагрузкой сгорает силовой транзистор
• Как отремонтировать блок питания компьютера. Часть 2
• Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 2.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Ремонт компьютерного блока питания ViewApple на 600 Ватт. Часть 1

Ремонт блоков питания

Разъемы у блоков питания Здравствуйте. Решил прояснить для себя некоторые моменты связанные с БП. Пример: У БП разъемы Перспективность блоков питания компьютеров в целом Здравствуйте!

Мне в реферате нужно подчеркнуть перспективность блоков питания. Ну по идее, они Модернизация блоков питания КПД в 3 раза а затрат 50 руб Я опробовал эту схему все хорошо работает КПД и 3 раза рекомендую только проверяйте осциллографом Ремонт блока питания dsip досталось мне ту пара блоков питания dsip Основная проблема если подключить 1 WD или 2 диска Подробная проверка элементов еще не была Кто знает отличие компьютерных блоков питания максимальная наргузка, 12в Хотел купить бп но характер бп максимальная наргузка я неочень понимаю 1вариант Максимальные Ремонт блока питания STM-B25 Нужно отремонтировать блок питания так ак размер очень маленький и специфический.

Как произошла Блоги программистов и сисадминов. Vkontakte ,. Facebook , Twitter. Тесты Блоги Социальные группы Все разделы прочитаны. Просмотров Ответов 6. Метки нет Все метки. Что необходимо иметь для ремонта 1. Тестер мультиметр — любой, даже узкоглазый 2. Паяльник 25 — 40 Вт, отсос для припоя. Лампочку 60 — Вт х В 4.

Спирт не для приема вовнутрь , канифоль, припой, флюс желательно канифольно — спиртовой Если чего-либо нет, не сильно страшно, я не буду углубляться в дебри, а поверхностно опишу методику нахождения неисправностей и ремонт. Для разряда лучше всего использовать небольшую лампочку от холодильника с припаянными короткими жесткими проводками. Принципы измерения напряжений внутри блока. Обратите внимание, что на корпус БП земля с платы подаётся через проводники около отверстий для крепежных винтов.

Относительно этого провода всё и измеряется только в горячей части, где максимальное напряжение — вольт. Измерения желательно проводить одной рукой, минус к тестеру прицепить с помощью зажима «крокодил».

Проверка резисторов. Потемневшие звоним омметром, если сопротивление равно нулю или бесконечности, то меняем на такой же исправный. Если номинал полосочки разобрать невозможно, то или гуглим принципиальную схему блока если повезет или изучаем типовую схему, она практически одинакова для всех желтых питателей.

Проверка диодов. Ставим мультиметр на звуковую прозвонку она же для проверки диодов, в наблюдометрах с отсутствием звуковой прозвонки все равно есть специальный предел, на нем нарисован диод и прозваниваем диоды, если падение напряжения а мультиметр в режиме диодов показывает именно падение напряжения на переходе, а не сопротивление, как ошибочно полагают многие равно диоды шотке и кремнивые диоды , а в обратном направлении бесконечность, то диод цел.

Но следует учесть паразитное влияние на измерение окружающих деталей емкостей, катушек , паралельно которым может стоять диод, поэтому если сомневаемся, то отпаиваем одну ногу и прозваниваем снова. С чего начать Сначала включаем БП в сеть. Меряем переменку на входе диодной сборки. Если отсутствует, проверяем предохранитель, фильтрующий дроссель и дисковый термистор если они есть, иногда второго и третьего просто нет, вместо них перемычки. Сопротивление термистора не должно быть больше 10 ом.

Меряем постоянку вольт на обеих входных конденсаторах, если отсутствует, неисправен диодный мост. Если вышибает предохранитель, то не нужно ставить новый и опять включать, а с помощью тестера прозваниваем сначала входной диодный мост. Если это диодная сборка, то при обнаружении неисправности хотя бы одного диода меняем всю сборку. По опыту знаю, что обычно летят два диода, в одном плече. Но это только следствие, а причина в пробое одного из трех силовых ключей — обычно стоят 2 основных, как правило, кремневых транзистора, типа и один полевой на дежурку, все три стоят на одном радиаторе.

Сразу хочу заметить, что дежурный транзистор вылетает намного реже, чем оба основные, так как питание на него подается через резистор 4. Еще полевые транзисторы имхо более живучи, чем кремневые. Тестером в режиме звуковой прозвонки отыскиваем виновника козы и меняем его на такой же или аналогичный. Ведь предохранитель — то перегорит, но только после того, как сгорит транзистор, поверьте. Теперь можно включить вилку в сеть. Если в высоковольтной части все еще присутствует КЗ, то лампочка ярко загорится, но что самое приятное, целые транзисторы так и останутся целыми.

Если лампочка вспыхнет и погаснет, значит все пучком, можно ставить на место предохранитель. Визуально осматриваем 2 высоковольтные емкости на наличие беременности или течки Если в душу закрадываются сомнения, лучше поменять на новые.

С высоковольтной частью пока закончили, переходим в «холодную» часть. Визуально осматриваем плату со стороны проводников на наличие трещин, сколов, непропаев, кольцевых трещин и прочих деффектов.

Осматриваем плату со стороны монтажа — вспухшие или потекшие конденсаторы в первую очередь, если есть, то меняем на аналогичную емкость и вольтаж, желательно использовать серию LowESR.

Если плата потемнела или даже выгорела обычно под диодами и резисторами то значит этот элемент работал в экстремальном режиме, нужно выяснять, из-за чего происходил перегрев. Меряем тестером в режиме омметра сопротивление между общим проводом и выходами блока. КЗ не приветствуется, если оно имеется, прозваниваем выходные диоды стоят на радиаторе на наличие КЗ.

Имейте ввиду, что во многих питателях 3. Если оно имеется в наличии, пробуем запустить блок — для этот закорачиваем на землю зеленый провод подписан как ON. Если вентилятор дернулся и остановился, это говорит о наличии КЗ во вторичных цепях. Тестером прозваниваем ВСЕ диоды и мелкие транзисторы, обычно находится паршивая овца. Если ничего не нашли, а блок все равно пытается стартовать и тухнет, заменяем штук 5 — 7 электролитов 1м х 50в в районе микросхемы ШИМ Если дежурка отсутствует, то проверяем высоковольтный ключевой транзистор и всю его обвязку резисторы, стабилитроны, диоды вокруг.

Проверяем стабилитрон, стоящий в базовой цепи цепи затвора транзистора в схемах на биполярных транзисторах номинал от 6В до 6. Высокоомные часто уходят в обрыв, низкоомные — так же успешно сгорают от токовой перегрузки. Меряем сопротивление первичной обмотки дежурного транса — должно быть порядка 3 или 7 Ом. Если обмотка трансформатора в обрыве бесконечность — меняем или при наличии желания и терпения перематываем транс.

Бывают случаи, когда при нормальном сопротивлении первичной обмотки трансформатор оказывается нерабочим имеются короткозамкнутые витки. Такой вывод можно сделать, если вы уверены в исправности всех остальных элементов дежурки. Проверяем выходные диоды и конденсаторы. При наличии обязательно меняем электролит в горячей части дежурки 1мх50в на новый, припаиваем параллельно нему керамический или пленочный конденсатор 0. Включаем блок в сеть и проверяем выходные напряжения дежурки.

Описываю для того, чтобы иметь представление о процессе проверки микросхемы ШИМ. Другие микросхемы ШИМ проверяются по образу и подобию, при наличии на них datasheeta соответственно. Включаем блок в сеть. На 12 ноге должно быть порядка V.

Если нет — проверяем дежурку в горячей» части.

Отсутствует — меняем микросхему. Если есть — проверяем поведение 4 ноги при замыкании PS-ON зеленый на землю. До замыкания должно быть порядка Если нет осцилографа, дальше можете пропустить. Устанавливаем перемычку с 16 ноги токовая защита на землю если не используется бывает даже такое — уже сидит на земле.

Таким образом временно отключаем защиту МС по току. Если нет импульсов на 8 или 11 ногах или ШИМ греется — меняем микросхему. Желательно использовать микросхемы от известных производителей Texas Instruments, Fairchild Semiconductor и т.

Если картинка красивая — ШИМ и каскад раскачки можно считать живым. Если нет импульсов на ключевых транзисторах — проверяем промежуточный каскад раскачку — обычно 2 штуки C с коллекторами на трансе раскачки, два 1N и емкости Если не найдете на сто вольт — не страшно, но ставить необходимо минимум на 80В MBR Заменить электролиты 1. При желании можно отрегулировать выходные напряжения, но только при наличии нагрузки. Там двести килограмм схем, статей, мануалов, справочников и прочего материала, и люди там серьезные обитают.

Посему рекомендую Про дежурку хорошо написано тут Про проверку полевиков здесь Про силовые ключи здесь Про электролиты здесь Самые ходовые схемы ТУТ Распиновка выходных шлангов Удачного ремонта з. Вот нарыл интересную схемку, но ссылки на сторонние форумы запрещены, поэтому ограничусь цитированием описания ее автором.

Очень простая может даже слишком схемка пробника, который решает все твои проблемы разом! Я его уже тут где-то выкладывал, хотел ссылку кинуть, но забыл где.

А пробник достойный! Он звучит на частоте, зависящей от тока, причем токи могут меняться от 90ма и почти до нуля. По изменению звука при зарядке конденсатора можно оценить на слух его емкость, при сравнении двух конденсаторов точность сравнения соизмерима со специализированными приборами. Только не забывай при повторной прозвонке предварительно разряжать конденсатор, а то тока не будет и ты посчитаешь, что он в обрыве.

Компьютерный блок питания

Форумы Новые сообщения Поиск сообщений. Что нового? Новые сообщения Новые ресурсы Последняя активность. Ресурсы Последние рецензии Поиск ресурсов. Помощь форуму. Вход Регистрация. Искать только в заголовках.

После этого блок запустился, но при превышении 8А выходного тока, На 2. png показано как растет напряжение на затворах силовых.

Как устроен блок питания, часть 5

Блог new. Технические обзоры. Опубликовано: , Версия для печати. Из чего состоит импульсный блок питания часть 2. Я уже выкладывал видео по отдельным частям блока питания, но подумав решил, что делал это В прошлом обзоре блока питания я затронул тему того, как выбрать правильный блок питания. Рубрика: Обзоры. Сегодня на мой рабочий стол попали токовые клещи. Когда искал, то хотелось именно с возможностью

Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования

Интернет отсутствовал, а выручала литература. Практика замены транзисторов в блоках питания показывает, что данная методика работает, по крайней мере, возвратов нет. Импульсные блоки питания телевизоров в большинстве своем построены с использованием в качестве силового ключа, мощные биполярные или полевые транзисторы. Эти транзисторы не полные аналоги друг друга, но вполне взаимозаменяемы.

Неисправный блок питания при ремонте компьютера зачастую просто заменяют новым. Это быстрое решение проблемы, но цена такого ремонта высока, да и хорошо заработать мастеру при этом не получится — просто замена блока больших денег не стоит.

Блок питания АТ: под нагрузкой сгорает силовой транзистор

В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несёт в своём составе либо монтируемые на корпусе БП компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера. В большинстве случаев, для компьютера в рассматриваемом примере, используется импульсный блок питания , выполненный по полумостовой двухтактной схеме. Блоки питания с накапливающими энергию трансформаторами обратноходовая схема естественно ограничены по мощности габаритами трансформатора и потому применяются значительно реже. Гораздо чаще встречается схема прямоходового однотактного преобразователя, которая не так ограничена по массо-габаритным показателям. Блок питания стандарта AT подключается к материнской плате двумя шестиконтактными разъёмами, включающимися в один контактный разъём на материнской плате.

Как отремонтировать блок питания компьютера. Часть 2

Разъемы у блоков питания Здравствуйте. Решил прояснить для себя некоторые моменты связанные с БП. Пример: У БП разъемы Перспективность блоков питания компьютеров в целом Здравствуйте! Мне в реферате нужно подчеркнуть перспективность блоков питания. Ну по идее, они Модернизация блоков питания КПД в 3 раза а затрат 50 руб Я опробовал эту схему все хорошо работает КПД и 3 раза рекомендую только проверяйте осциллографом Ремонт блока питания dsip досталось мне ту пара блоков питания dsip Основная проблема если подключить 1 WD или 2 диска

Недавно принесли в ремонт блок питания, осмотр выявил сгорание предохранителя и сгорание транзисторов (). Вздутых или.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 2.

Системный блок питания это модуль персонального компьютера, который, без преувеличения, дает наибольшее количество отказов. Кроме того, его неисправность может спровоцировать отказ очень многих компонентов компьютера: системной платы, дисковых накопителей, оперативной памяти и т. Именно поэтому, от специалиста, осуществляющего ремонт системного блока питания, требуется высокая квалификация, профессиональная ответственность и наличие аналитических способностей, необходимых для прогнозирования возможного поведения блока питания после ремонта. Все эти черты настоящего профессионала вырабатываются практической работой по ремонту различных блоков питания и теоретической работой по изучению схемотехнических особенностей ремонтируемых изделий.

Если блок питания вашего компьютера вышел из строя, не спешите расстраиваться, как показывает практика, в большинстве случаев ремонт может быть выполнен своими силами. Прежде чем перейти непосредственно к методике, рассмотрим структурную схему БП и приведем перечень возможных неисправностей, это существенно упростит задачу. Для проведения ремонта нам также понадобится знать распиновку главного штекера БП main power connector , она показана ниже. Сделать это можно при помощи обычной перемычки. Заметим, что у некоторых устройств цветовая маркировка может отличаться от стандартной, как правило, этим грешат неизвестные производители из поднебесной.

Итак, продолжаем цикл статей от Elwo.

Автор: Lakki , 7 декабря, в Страна советов! Общий раздел. Собрал блок питания для усилителя, на микросхеме TL, схема публиковалась не раз на портале. И на холостом ходу греются силовые транзисторы, примерно до градусов, трансфораматор холодный. На выходе блока двуполярное питание 40 вольт. При этом блок работает номально, хорошо грузится, максимум получилось снять с него ватт. Недавно разобрал компьютеоный блок питания и удивился тому что силовые транзисторы в нем не греются даже при нагрузке в ватт, а на холостом ходу вообще комнатной температуры.

В первой части статьи мы с вами начали знакомиться с искусством врачевания компьютерных блоков питания. Продолжим же это увлекательно дело и посмотрим внимательно на высоковольтную их часть. После осмотра платы и восстановления паек следует проверить мультиметром в режиме измерения сопротивления предохранитель. Надеюсь, вы хорошо уяснили и запомнили правила техники безопасности , изложенные ранее!

Как отремонтировать блок питания компьютера. Часть 2

Добрый день, друзья!

В первой части статьи мы с вами начали знакомиться с искусством врачевания компьютерных блоков питания. Продолжим же это увлекательно дело и посмотрим внимательно на высоковольтную их часть.

Проверка высоковольтной части блока питания

После осмотра платы и восстановления паек следует проверить мультиметром (в режиме измерения сопротивления) предохранитель.

Надеюсь, вы хорошо уяснили и запомнили правила техники безопасности, изложенные ранее!

Если он перегорел, то это свидетельствует, как правило, о неисправностях в высоковольтной части.

Чаще всего неисправность предохранителя видна (если стеклянный) визуально: он внутри «грязный» («грязь» — это испарившаяся свинцовая нить).

Иногда стеклянная трубка разлетается на куски.

В этом случае надо проверить (тем же тестером) исправность высоковольтных диодов, силовых ключевых транзисторов и силового транзистора источника дежурного напряжения. Силовые транзисторы высоковольтной части находятся, как правило, на общем радиаторе.

При сгоревшем предохранителе нередко выводы коллектор-эмиттер «звонятся» накоротко, и удостовериться в этом можно и не выпаивая транзистор. С полевыми же транзисторами дело обстоит несколько сложнее.

Как проверять полевые и биполярные транзисторы, можно почитать здесь и здесь.

Высоковольтная часть находится в той части платы, где расположены высоковольтные конденсаторы (они больше по объему, чем низковольтные). На этих конденсаторах указывается их емкость (330 – 820 мкФ) и рабочее напряжение (200 – 400 В).

Пусть вас не удивляет, что рабочее напряжение может быть равным 200 В. В большинстве схем эти конденсаторы включены последовательно, так что их общее рабочее напряжение будет равным 400 В. Но существуют и схемы с одним конденсатором на рабочее напряжение 400 В (или даже больше).

Нередко бывает, что вместе с силовыми элементами выходят из строя электролитические конденсаторы – как низковольтные, так и высоковольтные (высоковольтные – реже).

В большинстве случаев это видно явно – конденсаторы вздуваются, верхняя крышка их лопается.

В наиболее тяжелых случаях из них вытекает электролит. Лопается она не просто так, а по местам, где ее толщина меньше.

Это сделано специально, чтобы обойтись «малой кровью». Раньше так не делали, и конденсатор при взрыве разбрасывал свои внутренности далеко вокруг. А монолитной алюминиевой оболочкой можно было и сильно в лоб получить.

Все такие конденсаторы надо заменить аналогичными. Следы электролита на плате следует тщательно удалить.

Электролитические конденсаторы блока питания и ESR

Напоминаем, что в блоках питания используются специальные низковольтные конденсаторы с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением, ЭПС).

Подобные устанавливают и на материнских платах компьютеров.

Узнать их можно по маркировке.

Например, конденсатор с низким ESR фирмы «СapXon» имеет маркировку «LZ». У «обычного» конденсатора букв LZ нет. Каждой фирмой выпускается большое количество различных типов конденсаторов. Точное значение ESR конкретного типа конденсатора можно узнать на сайте фирмы-производителя.

Производители блоков питания часто экономят на конденсаторах, ставя обычные, у которых ЭПС выше (и стоят они дешевле). Иногда даже пишут на корпусах конденсаторов «Low ESR» (низкое ЭПС).

Это обман, и такие лучше конденсаторы лучше сразу заменить.

В наиболее тяжелом режиме работают конденсаторы фильтра по шинам +3,3 В, +5 В, +12 В, так как по ним циркулируют большие токи.

Встречаются еще «подлые» случаи, когда со временем подсыхает конденсаторы небольшой емкости в источнике дежурного напряжения. При этом их емкость падает, а ESR растет.

Или емкость падает незначительно, а ESR растет сильно. При этом никаких внешних изменений формы может и не быть, так как их габариты и емкость невелики.

Это может привести к тому, что изменится величина напряжения дежурного источника. Если оно будет меньше нормы, основной инвертор блока питания вообще не включится.

Если оно будет больше, компьютер будет сбоить и «подвисать», так как часть компонентов материнской платы находится под именно этим напряжением.

Емкость можно измерить цифровым тестером.

Впрочем, большинство тестеров может измерять емкости только до 20 мкФ, чего явно недостаточно.

Отметим, что ESR измерить штатным тестером невозможно.

Нужен специальный измеритель ESR!

У конденсаторов большой емкости ESR может иметь величину десятых и сотых долей Ома, у конденсаторов малой емкости – десятых долей или единиц Ом.

Если оно больше – такой конденсатор необходимо заменить.

Если такого измерителя нет, «подозрительный» конденсатор необходимо заменить новым (или заведомо исправным).

Отсюда мораль – не оставлять включенным источник дежурного напряжения в блоке питания. Чем меньшее время он будет работать, тем дольше будут подсыхать конденсаторы в нем.

Необходимо после окончания работы либо снимать напряжение выключателем фильтра, либо вынимать вилку кабеля питания из сетевой розетки.

В заключение скажем еще несколько слов

Об элементах высоковольтной части блока питания

В недорогих блоках питания небольшой мощности (до 400 Вт) в качестве ключевых часто применяют силовые биполярные транзисторы 13007 или 13009 с токами коллектора соответственно 8 и 12 А и напряжением между эмиттером и коллектором 400 В.

В источнике дежурного напряжения может быть использован силовой полевой транзистор 2N60 с током стока 2А и напряжением сток-исток 600 В.

Впрочем, в качестве ключевых могут быть использованы полевые транзисторы, а в источнике дежурного режима – биполярный.

При отсутствии необходимых транзисторов их можно заменить аналогами.

Аналоги биполярных транзисторов должны иметь рабочее напряжение между эмиттером и коллектором и ток коллектора не ниже, чем у заменяемых.

Аналоги полевых транзисторов должны иметь рабочее напряжение сток-исток и ток стока не ниже, чем у заменяемого, а сопротивление открытого канала «сток-исток» не выше, чем у заменяемого.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это сопротивление канала должно быть не выше? Ведь чем больше значения параметров, тем, как бы, лучше?»

Отвечаю – при одном и том же рабочем токе на канале с бОльшим сопротивлением будет, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, рассеиваться бОльшая мощность. И, значит, он (т.е. и весь транзистор) будет сильнее греться.

Лишний нагрев нам ни к чему!

У нас блок питания, а не отопительный радиатор!

На этом, друзья, мы сегодня закончим. Нам осталось еще ознакомиться с лечением низковольтной части, чем мы займемся в следующей статье.

До встречи на блоге!

Разгон блока питания

	Автор не несет ответственности за выход из строя каких-то компонент, произошедший в результате разгона. Используя данные материалы в любых целях, конечный пользователь принимает на себя всю ответственность. Материалы сайта представлены «as is».» Вступление. Этот эксперимент с частотой я затеял из-за не хватающей мощности БП.  Когда компьютер покупался его мощности вполне хватало для этой конфигурации: AMD Duron 750Mhz / RAM DIMM 128 mb / PC Partner KT133 / HDD Samsung 20Gb / S3 Trio 3D/2X 8Mb AGP  Без монитора — с помощью VGATV  и через самодельный шнур подключался к телевизору 🙂 Постепенно  он оброс устройствами: FDD Mitsumi 3,5″ 1,44Mb /модем Acorp 56 PML /монитор  LG StudioWork 700b / Gigabyte Geforce 2MX 400 32 Mb  после покупки видеокарты периодически (от нескольких дней до нескольких месяцев) наблюдался уход монитора в ждущий режим на несколько секунд (не более 5 ). Затем это прекратилось и больше н повторялось. Наконец после покупки CDRom TEAC 540E — начались первые серьезные проблемы, которые усилились с покупкой CDRW TEAC 540W Проявлялось в основном в работе жесткого диска — зависанием машины на некоторое время, с сопутствующим щелканьем и перезапуском винта, повреждением FAT и NFTS, с последующей реанимацией данных (NFTS дольше продержался, но вытащить с него мне ничего не удалось). Спровоцировать это могли и CDRom с CDRW, и видеокарта( по  шине +5 вольт  напряжение менялось в зависимости от работы машины и нагрузки — копирование , игра в пределах 4.75-4.9. При запуске игры, напряжение могло уменьшится до 4,75 вольт, после чего игра вылетала в синий экран или в лучшем случае просто закрывалась. Достаточно  настроить программу Mprobe вести log напряжений. Последние записи в логе  фиксируют падение напряжения после запуска игры и до момента когда система вылетает в синий экран) В борьбе за мощность заменил диоды, конденсаторы, даже пробовал менять трансформатор(этого лучше не делайте, они оказывается не все одинаковые :), хотя есть вроде подходящие —  один подошел по ножкам и БП запустился ) — эффект почти ноль.   Напряжение проседало, и прыгало в зависимости от текущих операций(копирование, игра и т.д.).  Наконец, решил купить новый блок питания (с него бы надо было начинать :), но тогда бы не было этой статьи), но перед покупкой  решил по экспериментировать. Теория. Мощность блока питания пропорциональна частоте тока проходящего через силовой трансформатор. Чем выше частота тока тем меньшим будет трансформатор в блоке питания при той же мощности. Для примера, блок питания ватт на 200 с обыкновенным трансформатором на 50 Гц вполне сможет заменить тренажер или хотя бы пудовую гирю. Частоты на которых работают блоки питания в среднем 30-50 кГц. Верхний диапазон ограничивается граничными частотами силовых транзисторов и критической частотой ферромагнетика трансформатора (примерно 100кГц,  существуют  блоки питания с частотами 500кГц).   Согласно ШИМ – контроллер. TL494, рабочая частота определяется конденсатором C и резистором R., по формуле:   ,  где k — коэффициент зависящий от микросхемы, как от конкретной модели, так и от производителя. У TL494 он равен 1,1, у KA7500  — 1,2 . Для примера две схемы: Частота f для этой схемы получилась 57 кГц. А для этой  частота f  равна 40 кГц. Практика. Частоту можно изменить  заменив конденсатор C или(и) резистор R на другой номинал. Было бы правильно поставить конденсатор с меньшей емкостью, а резистор заменить на последовательно соединенные постоянный резистор и переменный типа СП5 с гибкими выводами.  Затем,  уменьшая его сопротивление, измерять напряжение, пока напряжение не достигнет 5.0 вольт. Затем впаять постоянный резистор на место переменного, округлив номинал в большую сторону. Я пошел по более опасному пути - резко изменил частоту впаяв конденсатор меньшей ёмкости. У меня было:     R1=12kOm     C1=1,5nF По формуле получаем  f=61,1 кГц После замены конденсатора  стало:     R2=12kOm     C2=1,0nF  f=91,6 кГц Согласно формуле: частота увеличилась на 50% соответственно и мощность возросла. Если R не будем менять, то формула упрощается:   Или если С не будем менять, то формула :   Проследите конденсатор и резистор подключенные к 5 и 6 ножкам микросхемы. и замените конденсатор на конденсатор с меньшей ёмкостью. Результат  После разгона блока питания напряжение стало ровно 5.00 (мультиметр может иногда показать 5.01, что скорее всего погрешность), почти не реагируя на выполняемые задачи — при сильной нагрузке на шине +12 вольт (одновременная работа двух CD и двух винтов) — напряжение на шине +5В может кратковременно снизиться 4.98. Начали сильнее греться ключевые транзисторы. Т.е. если  раньше радиатор был слегка теплый, то теперь он сильно теплый, но не горячий. Радиатор с выпрямительными полумостами сильнее греться не стал. Трансформатор также не греется. С 18.09.2004 г. и по сегодняшний день (15.01.05) к блоку питания нет никаких вопросов. На данный момент следующая конфигурация:  AMD Duron 750Mhz / RAM DIMM 256 Mb PC133/ PC Partner KT133 / HDD Samsung 20Gb / CD-ROM TEAC 540E/ CD-RW TEAC 540W/ Mobile Rack ATA100 with Fan /FDD Mitsumi 3,5″ 1,44Mb /модем Acorp 56 PML / Gigabyte Geforce 2MX 400 32 Mb / SB Creative Live Valve / LAN Realtek 8139 / ТВ тюнер Manli Home TV (SAA7130) / + 2 вентилятора в корпусе и 2 на процессоре( Mini SuperOrb ) Ссылки  Двухтактные преобразователи (упрощенный расчет)  Application Note 9015 A180W, 100KHz Forward Converter Using QFET by I.S. Yang July, 2000 Он же c www.fairchildsemi.com Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT.   Источники питания конструктива АТХ для компьютеров. Схемы блоков питания. Маркировка резисторов ПАРАМЕТРЫ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ДВУХТАКТНЫХ СХЕМАХ ИБП ЗАРУБЕЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА.  Конденсаторы. (Примечание: С = 0.77 ۰ Сном ۰SQRT( 0,001۰f ), где Сном — номинальная емкость конденсатора.) Комментарии Renni:То что ты повысил частоту у тебя повысилось количество пилообразных импульсов за определенный промежуток времени, а как следствие повысилась частота с которой отслеживается нестабильности по питанию, так как нестабильности по питанию отслеживаются чаще то и импульсы на закрытие и открытие транзисторов в полумостовом ключе происходит с двойной частотой. Твои транзисторы обладают характеристиками, а конкретно своим быстродействием.: Увеличив частоту ты тем самым уменьшил размер мертвой зоны. Раз ты говоришь что транзисторы не греются значит они входят в той диапазон частот, значит тут казалось бы все хорошо. Но, есть и подводные камни. Перед тобой есть схема электрическая принципиальная? Я тебе сейчас по схеме объясню. Там в схеме посмотри где ключевые транзисторы, к коллектору и эмиттеру включены диоды. Они служат для рассасывания остаточного заряда в транзисторах и перегонке заряда в другое плечо(в конденсатор). Вот, если у этих товарищей скорость переключения низкая у тебя возможны сквозные токи —  это прямой пробой твоих транзисторов. Возможно из за этого они будут греться. Теперь дальше, там дело не этом, там дело в том что после прямого тока, который прошел через диод. Он обладает инерционностью и когда появляется обратный ток,: у него какое то время еще не восстанавливается значение его сопротивления и по этому они характеризуются не частотой работы, а временем восстановления параметров. Если это время больше чем можно, то у тебя будут наблюдаться частичные сквозные токи из за этого возможны всплески как по напряжению так и по току. Во вторично это не так страшно, но в силовой части — это просто пи#дец,: мягко говоря.  Так вот продолжим. Во вторичной цепи эти переключения следующим не желательны, а именно: Там для стабилизации используются диоды Шотки, так вот по 12 вольтам что бы их подпирают напряжением -5 вольт.(прим. у меня кремниевые на 12 вольтах), так вот по 12 вольтам что бы их (диоды Шотки) можно было использовать подпирают напряжением -5 вольт. (Из-за низкого обратного напряжения, невозможно просто поставить диодов Шотки на шине 12 вольт, поэтому так извращаются). Но у кремниевых потери больше чем у диодов Шотки и реакция поменьше, если только они не из числа быстро восстанавливающихся. Так вот, если высокая частота, то у диодов Шотки наблюдается практически тот же эффект что и в силовой части + инерционность обмотки по -5 вольтам по отношению к +12 вольтам, делает невозможным использование диодов ШОТКИ, по этому увеличение частоты может со временем привести к выходу из строя онных. Я рассматриваю общий случай. Так вот едем дальше. Дальше еще один прикол, связанный наконец непосредственно с цепью обратной связи. Когда ты образуешь отрицательную обратную связь, у тебя есть такое понятие как резонансная частота вот этой петли обратной связи. Если ты выйдешь на резонанс, то п#зда всей твоей схеме. Прости за грубое выражение. Потому что эта микросхема ШИМ всем управляет и требуется ее работа в режиме. И на конец «темная лошадка» 😉 Ты понял о чем я? Трансформатор он самый, так вот у этой сцуки ведь тоже есть резонансная частота. Так эта дрянь ведь не унифицированная деталь, трансформатор намоточное изделие в каждом случае изготовляется индивидуально — по этой просто причине ты не знаешь характеристик на него. A если ты введешь своей частотой в резонанс ? Ты спалишь свой транс и БП можешь спокойно выкидывать. Внешне два абсолютно одинаковых трансформатора могут иметь абсолютно разные параметры. Ну факт тот что не правильной подборкой частоты ты мог спокойно спалить БП.При всех прочих условиях как все таки повысить мощность БП. Повышаем мощность блока питания. Первым делом нам надо разобраться что такое мощность. Формула предельно проста — ток на напряжение. Напряжение в силовой части у нас составляет 310 вольт постоянки. Так вот так как на напряжение мы никак не можем влиять. Транс то у нас один. Мы можем увеличить только ток. Величину тока нам диктует две вещи- это транзисторы в полумосте и буферные емкости. Кондеры по больше, транзисторы по мощнее, так вот надо увеличить номинал емкости и поменять транзисторы на такие у которых больше ток цепи коллектор-эмиттер или просто ток коллектора, если не жалко можешь втулть туда на 1000 мкФ и не напрягаться с расчетами. Так вот в этой цепи мы сделали все что могли, тут больше в принципе сделать ничего не возможно, разве что еще учесть напряжение и ток базы этих новых транзисторов. Если трансформатор маленький — это не поможет. Надо еще отрегулировать такую хрень как напряжение и ток при котором у тебя будет открываться и закрываться транзисторы. Теперь вроде как тут все. Поехали во вторичную цепь.Теперь у нас на выходе обмоток тока доху……. Надо немного подправить наши цепи фильтрации, стабилизации и выпрямления. Для этотго мы берем в зависимости от реализации нашего БП и меняем диодные сборки в первую очередь, что бы обеспечивали возможность протекания нашего тока. В принципе все остальное можно оставить так как есть. Вот и все, вроде бы, ну на данный момент Запас прочности должен быть. Тут дело в том что техника импульсная — вот это ее дурная сторона. Тут почти все построено на АЧХ и ФЧХ, на t реакции.: вот и все Модернизация БП путем повышения частоты преобразования  Обратно © 2004 Александр Джулай

Лабораторная №3

Лабораторная работа №3

Принцип работы импульсного блока питания.

 

Цель: Изучить схемотехнику  блоков питания персональных компьютеров.
  Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки  на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.
Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.
Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:
•    Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).
•    Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.
•    Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).
•    Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
•    Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.
Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.
Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.
Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.
Сетевой фильтр и выпрямитель.
Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставятконденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.
Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110…127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

    Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220…230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

 

    В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

    Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

    Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

    Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180…220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

    Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов(гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.
При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

 

Высокочастотный преобразователь (инвертор)

В первой части нашего рассказа о схемотехнике блоков питания персональных компьютеров мы познакомились со схемой входного сетевого выпрямителя и фильтра. Давайте продолжим изучение компьютерного блока питания. Здесь мы разберёмся в том, как работает высокочастотный преобразователь – инвертор.
Постоянное напряжение 310 вольт, снимаемое с сетевого выпрямителя, подаётся на высокочастотный преобразователь. Высокочастотный преобразователь — это двухтактный инвертор, выполненный по схеме полумоста. Преобразователь работает на частоте в десятки килогерц и нагружен на высокочастотный силовой трансформатор.
Частота преобразования выбирается порядка 18 – 50 КГц, что подразумевает маленькие размеры силового трансформатора и небольшие величины ёмкостей конденсаторов фильтров. Один из плюсов импульсного блока питания является высокий КПД, достигающий 80% и экономичность, поскольку блок потребляет энергию только в то время, когда один из транзисторов преобразователя открыт. Когда он закрыт, энергию на нагрузку отдаёт конденсатор фильтра вторичной цепи.
Управление полумостовым инвертором осуществляется ШИМ-контроллером (Узел управления). Об узле управления блоком питания будет рассказано в следующей части.
Итак, высокочастотный преобразователь работает следующим образом: на него приходит постоянное напряжение 310 вольт с сетевого выпрямителя и конденсаторов фильтра. Одновременно в базовые цепи мощных транзисторов подаются прямоугольные импульсы положительной полярности и с частотой следования допустим 20 кГц. С этой частотой транзисторы как ключевые элементы открываются и закрываются.

На первичной обмотке трансформатора Т2 присутствует импульсное высокое напряжение с той же частотой 20 кГц. Трансформатор, естественно, понижающий и на его вторичных обмотках, которых несколько, формируются все необходимые для работы компьютера питающие напряжения, после этого все напряжения выпрямляются, фильтруются и подаются на системную плату.
Мощные ключевые транзисторы инвертора являются своеобразными «мускулами» блока питания. Именно через ключевые транзисторы инвертора «прокачивается» вся мощность, которая потребляется компьютером. Ключевые транзисторы устанавливаются на радиатор для принудительного охлаждения во время работы, а сам радиатор обдувается вентилятором.
В качестве ключевых транзисторов инвертора могут применяться как биполярные, так и полевые MOSFET транзисторы. Обычно же используются биполярные транзисторы.
Взглянем на схему. На ней изображена часть схемы ИБП марки GT-150W.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биполярные транзисторы VT1 и VT2 поочерёдно открываются с частотой в десятки килогерц. Трансформатор T2 — импульсный силовой трансформатор. Он же обеспечивает гальваническую развязку от электросети. Импульсный силовой трансформатор заметно выделяется на фоне других трансформаторов, установленных на печатной плате. Найти его не сложно.

Со вторичных обмоток трансформатора T2 снимается пониженное переменное напряжение. На схеме показаны элементы одного из выходных выпрямителей +12 вольт (VD6, VD7, L1, C5). Электролитические конденсаторы C6, C7 — это конденсаторы сетевого фильтра и выпрямителя, речь о котором шла в первой части.
Трансформатор T1 — согласующий. Он является промежуточным звеном между микросхемой ШИМ-контроллера и мощными ключевыми транзисторами VT1, VT2. Габариты его заметно меньше, чем у трансформатора T2. Диоды VD4 и VD5 предохраняют мощные транзисторы от напряжения обратной полярности. У мощных полевых транзисторов эти диоды, как правило, уже встроены, поэтому на печатной плате диоды VD4, VD5 можно и не обнаружить. Так же защитные диоды встраивают в некоторые мощные биполярные транзисторы. Всё зависит от марки транзистора.

 

Схема запуска.

Узел управления инвертора питается выходным напряжением блока, но в момент включения все напряжения отсутствуют. Начальный запуск может осуществляться разными способами. Рассмотрим более подробно схему запуска инвертора, которая «заводит» мощный каскад инвертора.
    После включения блока питания на базы транзисторов VT1, VT2 подаётся напряжение через делитель, выполненный на резисторах R3 — R6. При этом транзисторы «приоткрываются». При этом ещё начинается заряд конденсатора C4. Ток заряда конденсатора C4 проходя через часть вторичной обмотки (II) трансформатора T1 наводит в ней (обмотке II) и обмотке III напряжение. Это напряжение открывает один из транзисторов (VT1 или VT2). Какой именно из транзисторов откроется зависит от характеристик элементов каскада.
    В результате открытия одного из ключевых транзисторов во вторичной обмотке трансформатора T2 появляется импульс тока, который проходит через один из диодов (VD6 или VD7) и заряжает конденсатор C3. Напряжения на C3 достаточно для питания узла управления в момент пуска инвертора. Далее в работу включается узел управления, который и начинает управлять транзисторами VT1 и VT2 в штатном режиме.
    Вот так хитроумно реализована схема запуска инвертора.
В мощном каскаде наиболее частой неисправностью является выход из строя транзисторов, поскольку они работают в достаточно тяжёлом тепловом режиме. Ну, и, конечно, слабое звено это электролитические конденсаторы, которые со временем «высыхают» и теряют ёмкость. Также элктролиты выходят из строя из-за превышения рабочего напряжения.
 

Узел управления
 

Узел управления импульсного блока питания выполняет много важных функций.
•    Во-первых, формирование прямоугольных импульсов с их последующим усилением для управления мощными транзисторами высокочастотного преобразователя.
•    Во-вторых, стабилизация выходных напряжений.
«Сердцем» узела управления является ШИМ-контроллер TL494CN. Аналогами этой микросхемы являются DBL494, KIA494AP, KA7500, MB3759, IR3MO2 и наша отечественная КР1114ЕУ4.

Узел управления состоит из, собственно, микросхемы с небольшим количеством дискретных элементов и промежуточного каскада, задачей которого, является усиление импульсов сформированных микроконтроллером до величины достаточной для управления мощными транзисторами высокочастотного преобразователя. Далее на рисунке показана внутренняя структура микросхемы TL494CN.

Самый «здоровый» сдвоенный диод, расположенный в центре (SBL3040PT) используется в выпрямителе +5V. Диод SBL3040PT — это сдвоенный диод Шоттки. Он рассчитан на прямой ток до 15 ампер (один диод) и обратное напряжение до 40 вольт.
   Рядом установлен диод F12C20C. Он используется в выпрямителе +12V. Этот диод выдерживает прямой ток до 6 ампер (один диод) и обратное напряжение до 200 вольт. В отличие от SBL3040PT, диод F12C20C — это обычный (не Шоттки) быстродействующий выпрямительный диод с общим катодом.
    Также на радиаторе закреплён полевой MOSFET-транзистор 40N03P. Внешне он очень похож на сдвоенный диод. Этот транзистор используется в импульсных блоках питания формата ATX.
   Основная особенность всех вторичных источников в импульсных блоках питания это сглаживающие фильтры, которые начинаются с дросселей, а уже потом стоят конденсаторы.
    Только в фильтрах, начинающихся с дросселя, напряжение на выходе зависит и от амплитуды и от скважности поступающих на вход импульсов. Поэтому изменяя скважность легко регулировать выходное напряжение.
Скважность — внесистемная единица выражающая отношение длительности импульса к периоду повторения. Процесс изменения скважности называется ШИМ – широтно-импульсная модуляция. (англ. PWM – Pulse Width Modulation).
    Далее обратимся к схеме. На рисунке изображена схема выходных выпрямителей импульсного блока типания ПК. . У него имеется несколько вторичных обмоток с которых снимается пониженное переменное напряжение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На схеме можно заметить, что в цепях всех выпрямителей присутствует дроссель с обозначением L1.1, L1.2, L1.3, L1.4. Если обратится к схеме, то можно подумать, что это отдельные дроссели. Но на самом деле это четыре дросселя, наматанных на одном общем кольцевом магнитопроводе. Обмотки дросселей электрически не связаны, но вот магнитное поле у них общее. И это неспроста.

    За счёт такого приёма обеспечивается так называемая групповая стабилизация выходных напряжений. За счёт общего магнитного поля в дросселе L1 удаётся стабилизировать сразу все выходные напряжения. Если дроссель L1 выпаять из схемы и замерить выходные напряжения, то можно убедиться в том, что они начинают заметно «гулять». Вот так выглядит дроссель L1 с общим колцевым магнитопроводом на печатной плате.
    Далее в фильтрах стоят электролитические конденсаторы С4 — С8 ёмкостью от 330 мкф до 2200 мкф. Рабочее напряжение электролитов, как правило, зависит от того, в каком из выпрямителей установлен конденсатор (в +5V и -5V — на 10…16 вольт, а в +12V и -12V — на 16…25 вольт). Резисторы R4 — R7 создают небольшую начальную нагрузку для правильной работы выпрямителя с индуктивным фильтром. Они же служат для разряда электролитических конденсаторов после выключения импульсного блока питания.

    Как уже отмечалось, в качестве диодов вторичных источников часто используют диоды Шоттки. Они обладают малым падением напряжения в прямом направлении и быстрым временем восстановления, но низкое обратное напряжение не позволяют использовать положительные качества этих диодов в полном объёме. Поскольку схемы вторичных источников питания сложности не представляют, ремонт сводится к замене электролитических конденсаторов и диодов выпрямителей.
    Есть определённые сложности, связанные с диагностикой диодов Шоттки. У них есть очень нехорошее явление, как «утечка». Если проверить диод, то он окажется исправным, но после некоторого времени нормальной работы, вследствие разогрева он начинает «плыть». При малейшем подозрении на исправность такого диода не стоит зря тратить время, а есть смысл просто заменить его на заведомо исправный.
    Вообще с ремонтом компьютерных блоков питания связаны некоторые трудности. Отдельные фирмы просто не хотят допустить постороннего внутрь своей техники. Есть блоки, завёрнутые на специальные болты, которые не отвернуть без особого инструмента, а корпуса отдельных типов блоков питания просто наглухо заклёпаны и мастеру приходится эти заклёпки просто высверливать.
Производители как бы намекают: не надо ремонтировать блок питания. Купите и поставьте новый блок.
 

Прозвонка блока питания компьютера. Принцип работы компьютерного блока питания

Добрый день, друзья!

А вы хотели бы узнать, как устроен блок питания компьютера? Сейчас мы попытаемся разобраться в этом вопросе.

Для начала отметим, что , как и любому электронному устройству, необходим источник электрической энергии . Вспомним, что бывают

Первичные и вторичные источники электропитания

Первичные — это, в частности, химические источники тока (элементы питания и аккумуляторы) и генераторы электрической энергии, находящиеся на электростанциях.

В компьютерах могут применяться:

• литиевые элементы напряжением 3 В для питания КМОП микросхемы, в которой хранятся установки BIOS,
• литий-ионные аккумуляторы (в ноутбуках).

Литиевые элементы 2032 питают микросхему структуру CMOS, хранящую настройки Setup компьютера.

Потребление тока при этом невелико (порядка единиц микроампер), поэтому энергии батареи хватает на несколько лет .

После исчерпания энергии такие источник энергии восстановлению не подлежат.

В отличие от элементов литий-ионные аккумуляторы являются возобновляемыми источниками. Они периодически то запасают энергию, то отдают ее. Сразу отметим, что любые аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряд-разряд.

Но большая часть стационарных компьютеров питается не от аккумуляторов, а от сети переменного напряжения.

В настоящее время в каждом доме имеются розетки с переменным напряжением 220 В (в некоторых странах 110 — 115 В) частотой 50 Герц (в некоторых странах – 60 Герц), которые можно считать первичными источниками .

Но основные компоненты компьютера не могут непосредственно использовать такое напряжение.

Его необходимо преобразовать. Выполняет эту работу источник вторичного электропитания (народное название — «блок питания ») компьютера. В настоящее время почти все блоки питания (БП) — импульсные. Рассмотрим более подробно, как устроен импульсный блок питания.

Входной фильтр, высоковольтный выпрямитель и емкостный фильтр

На входе импульсного БП имеется входной фильтр. Он не пропускает помехи, которые всегда есть в электрической сети, в блок питания.

Помехи могут возникать при коммутации мощных потребителей энергии, сварке и т.п.

В то же время он задерживает помехи и самого блока, не пропуская их в сеть.

Если быть более точным, помехи в БП и из него проходят, но достаточно сильно ослабляются .

Входной фильтр представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ).

Он пропускает низкие частоты (в том числе сетевое напряжение, частота которого равна 50 Гц) и ослабляет высокие.

Отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ). Как правило, ВВ выполнен по мостовой схеме из четырех полупроводниковых диодов.

Диоды могут быть как отдельными, так и смонтированными в одном корпусе. Существует и другое название такого выпрямителя — «диодный мост ».

Выпрямитель превращает переменное напряжение в пульсирующее, т. е. одной полярности.

Грубо говоря, диодный мост «заворачивает» отрицательную полуволну, превращая ее в положительную.

Пульсирующее напряжение представляет собой ряд полуволн положительной полярности. На выходе ВВ стоит емкостной фильтр — один или два последовательно включенных электролитических конденсатора.

Конденсатор — это буферный элемент, который может заряжаться, запасая энергию и разряжаться, отдавая ее.

Когда напряжение на выходе выпрямителя ниже некоей величины («провал»), конденсатор разряжается, поддерживая его на нагрузке. Если же оно выше, конденсатор заряжается, обрезая пики напряжения.

В курсе высшей математике доказывается, что пульсирующее напряжение представляет собой сумму постоянной составляющей и гармоник , частоты которых кратны основной частоте сети.

Таким образом, емкостный фильтр можно рассматривать здесь как фильтр нижних частот, выделяющий постоянную составляющую и ослабляющий гармоники. В том числе и основную гармонику сети — 50 Гц.

Источник дежурного напряжения

В компьютерном блоке питания имеется так называемый источник дежурного напряжения (+5 VSB).

Если вилка кабеля вставлена в питающую сеть, это напряжение присутствует на соответствующем контакте разъема блока питания. Мощность этого источника небольшая, он способен отдавать ток 1 — 2 А.

Именно этот маломощный источник и запускает гораздо более мощный инвертор. Если разъем блока питания вставлен в материнскую плату, то часть ее компонентов находится под напряжением + 5 VSB.

Сигнал на запуск инвертора подается с материнской платы. Причем для включения можно использовать маломощную кнопку.

В более старых моделях компьютеров устанавливались БП старого стандарта АТ. Они имели громоздкие выключатели с мощными контактами, что удорожало конструкцию. Использование нового стандарта АТХ позволяет «будить» компьютер одним движением или кликом «мышки». Или нажатием клавиши на клавиатуре. Это, конечно, удобно.

Но при этом надо помнить, что конденсаторы в источнике дежурного напряжения всегда находятся под напряжением . Электролит в них подсыхает, срок службы уменьшается.

Большинство пользователей традиционно включает компьютер кнопкой на корпусе, питая его через фильтр-удлинитель. Таким образом, можно рекомендовать после отключения компьютера исключать подачу напряжения на блок питания выключателем фильтра.

Выбор — удобство или надежность — за вами, уважаемый читатели.

Устройство источника дежурного напряжения

Источник дежурного напряжения (ИДН) содержит в себе маломощный инвертор.

Этот инвертор превращает высокое постоянное напряжение, полученное с высоковольтного фильтра, в переменное. Это напряжение понижается до необходимой величины маломощным трансформатором.

Инвертор работает на гораздо более высокой частоте, чем частота сети, поэтому размеры его трансформатора невелики. Напряжение со вторичной обмотки подается на выпрямитель и низковольтный фильтр (электролитические конденсаторы).

Напряжение ИДН должно находиться в пределах 4,75 — 5,25 В. Если оно будет меньше — основной мощный инвертор может не запуститься. Если оно будет больше, компьютер может «подвисать» и сбоить.

Для поддержания стабильного напряжения в ИДН часто используется регулируемый стабилитрон (иначе называемый источником опорного напряжения) и обратная связь. При этом часть выходного напряжения ИДН подается во входные высоковольтные цепи.

Заканчивая первую часть статьи, отметим, что для гальванической развязки входных и выходных цепей используется оптопара .

Оптопара содержит источник и приемник излучения. В чаще всего используется оптопара, содержащая в себе светодиод и фототранзистор.

Инвертор в ИДН собран чаще всего на мощном высоковольтном полевом или биполярном транзисторе. Мощный транзистор отличается от маломощных тем, что рассеивает бОльшую мощность и имеет бОльшие габариты.

В этом месте сделаем паузу. Во второй части статьи мы рассмотрим основной инвертор и низковольтную часть компьютерного блока питания.

С вами был Виктор Геронда.

До встречи на блоге!

P.S. Фото кликабельны, кликайте, рассматривайте внимательно схемы и удивляйте знакомых своей эрудицией!

Статья написана на основе книги А.В.Головкова и В.Б Любицкого»БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT» Материал взят с сайта интерлавка. Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель PWR SW через сетевой предохранитель F101 4А, помехоподавляющие фильтры, образованные элементами С101, R101, L101, С104, С103, С102 и дроссели И 02, L103 на:
выходной трехконтактный разъем, к которому может подстыковываться кабель питания дисплея;
двухконтактный разъем JP1, ответная часть которого находится на плате.
С разъема JP1 переменное напряжение сети поступает на:
мостовую схему выпрямления BR1 через терморезистор THR1;
первичную обмотку пускового трансформатора Т1.

На выходе выпрямителя BR1 включены сглаживающие емкости фильтра С1, С2. Терморезистор THR ограничивает начальный бросок зарядного тока этих конденсаторов. Переключатель 115V/230V SW обеспечивает возможность питания импульсного блока питания как от сети 220-240В, так и от сети 110/127 В.

Высокооомные резисторы R1, R2, шунтирующие конденсаторы С1, С2 являются симметрирующими (выравнивают напряжения на С1 и С2), а также обеспечивают разрядку этих конденсаторов после выключения импульсного блока питания из сети. Результатом работы входных цепей является появление на шине выпрямленного напряжения сети постоянного напряжения Uep, равного +310В, с некоторыми пульсациями. В данном импульсном блоке питания используется схема запуска с принудительным (внешним) возбуждением, которая реализована на специальном пусковом трансформаторе Т1, на вторичной обмотке которого после включения блока питания в сеть появляется переменное напряжение с частотой питающей сети. Это напряжение выпрямляется диодами D25, D26, которые образуют со вторичной обмоткой Т1 двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. СЗО — сглаживающая емкость фильтра, на которой образуется постоянное напряжение, используемое для питания управляющей микросхемы U4.

В качестве управляющей микросхемы в данном импульсном блоке питания традиционно используется ИМС TL494.

Питающее напряжение с конденсатора СЗО подается на вывод 12 U4. В результате на выводе 14 U4 появляется выходное напряжение внутреннего опорного источника Uref=-5B, запускается внутренний генератор пилообразного напряжения микросхемы, а на выводах 8 и 11 появляются управляющие напряжения, которые представляют собой последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Элементы С29, R50, подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы U4 определяют частоту пилообразного напряжения, вырабатываемого внутренним генератором микросхемы.

Согласующий каскад в данном импульсном блоке питания выполнен по бестранзисторной схеме с раздельным управлением. Напряжение питания с конденсатора СЗО подается в средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Выходные транзисторы ИМС U4 выполняют функции транзисторов согласующего каскада и включены по схеме с ОЭ. Эмиттеры обоих транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) подключены к «корпусу». Коллекторными нагрузками этих транзисторов являются первичные полуобмотки управляющих трансформаторов Т2, ТЗ, подключенные к выводам 8, 11 микросхемы U4 (открытые коллекторы выходных транзисторов). Другие половины первичных обмоток Т2, ТЗ с подключенными к ним диодами D22, D23 образуют цепи размагничивания сердечников этих трансформаторов.

Трансформаторы Т2, ТЗ управляют мощными транзисторами полумостового инвертора.

Переключения выходных транзисторов микросхемы вызывают появление импульсных управляющих ЭДС на вторичных обмотках управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Под действием этих ЭДС силовые транзисторы Q1, Q2 попеременно открываются с регулируемыми паузами («мертвыми зонами»). Поэтому через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т5 протекает переменный ток в виде пилообразных токовых импульсов. Это объясняется тем, что первичная обмотка Т5 включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано транзисторами Q1, Q2, а другое — конденсаторами С1, С2. Поэтому при открывании какого-либо из транзисторов Q1, Q2 первичная обмотка Т5 оказывается подключена к одному из конденсаторов С1 или С2, что и обуславливает протекание через нее тока в течение всего времени, пока открыт транзистор.
Демпферные диоды D1, D2 обеспечивают возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки Т5 за время закрытого состояния транзисторов Q1, Q2 обратно в источник (рекуперация).
Конденсатор СЗ, включенный последовательно с первичной обмоткой Т5, ликвидирует постоянную составляющую тока через первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

Резисторы R3, R4 и R5, R6 образуют базовые делители для мощных транзисторов Q1, Q2 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах.

Диоды сборки SD2 представляют собой диоды с барьером Шоттки, чем достигается необходимое быстродействие и повышается КПД выпрямителя.

Обмотка III совместно с обмоткой IV обеспечивает получение выходного напряжения +12В вместе с диодной сборкой (полумостом) SD1. Эта сборка образует с обмоткой III двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. Однако средняя точка обмотки III не заземлена, а подключена к шине выходного напряжения +5В. Это даст возможность использовать диоды Шоттки в канале выработки +12В, т.к. обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя при таком включении, уменьшается до допустимого для диодов Шоттки уровня.

Элементы L1, С6, С7 образуют сглаживающий фильтр в канале +12В.

Средняя точка обмотки II заземлена.

Стабилизация выходных напряжений осуществляются разными способами в разных каналах.
Отрицательные выходные напряжения -5В и -12В стабилизируются при помощи линейных интегральных трехвыводных стабилизаторов U4 (типа 7905) и U2 (типа 7912).
Для этого на входы этих стабилизаторов подаются выходные напряжения выпрямителей с конденсаторов С14, С15. На выходных конденсаторах С16, С17 получаются стабилизированные выходные напряжения -12В и -5В.
Диоды D7, D9 обеспечивают разрядку выходных конденсаторов С16, С17 через резисторы R14, R15 после выключения импульсного блока питания из сети. Иначе эти конденсаторы разряжались бы через схему стабилизаторов, что нежелательно.
Через резисторы R14, R15 разряжаются и конденсаторы С14, С15.

Диоды D5, D10 выполняют защитную функцию в случае пробоя выпрямительных диодов.

Выходное напряжение +12В в данном ИБП не стабилизируется.

Регулировка уровня выходных напряжений в данном ИБП производится только для каналов +5В и +12В. Эта регулировка осуществляется за счет изменения уровня опорного напряжения на прямом входе усилителя ошибки DA3 при помощи подстроечного резистора VR1.
При изменении положения движка VR1 в процессе настройки ИБП будет изменяться в некоторых пределах уровень напряжения на шине +5В, а значит и на шине +12В, т. к. напряжение с шины +5В подается в среднюю точку обмотки III.

Комбинированная зашита данного ИБП включает в себя:

Ограничивающую схему контроля ширины управляющих импульсов;
полную схему защиты от КЗ в нагрузках;
неполную схему контроля выходного перенапряжения (только на шине +5В).

Рассмотрим каждую из этих схем.

Ограничивающая схема контроля использует в качестве датчика трансформатор тока Т4, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т5.
Резистор R42 является нагрузкой вторичной обмотки Т4, а диоды D20, D21 образуют двухпо-лупериодную схему выпрямления знакопеременного импульсного напряжения, снимаемого с нагрузки R42.

Резисторы R59, R51 образуют делитель. Часть напряжения сглаживается конденсатором С25. Уровень напряжения на этом конденсаторе пропорционально зависит от ширины управляющих импульсов на базах силовых транзисторов Q1, Q2. Этот уровень через резистор R44 подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA4 (вывод 15 микросхемы U4). Прямой вход этого усилителя (вывод 16) заземлен. Диоды D20, D21 включены так, что конденсатор С25 при протекании тока через эти диоды заряжается до отрицательного (относительно общего провода) напряжения.

В нормальном режиме работы, когда ширина управляющих импульсов не выходит за допустимые пределы, потенциал вывода 15 положителен, благодаря связи этого вывода через резистор R45 с шиной Uref. При чрезмерном увеличении ширины управляющих импульсов по какой-либо причине, отрицательное напряжение на конденсаторе С25 возрастает, и потенциал вывода 15 становится отрицательным. Это приводит к появлению выходного напряжения усилителя ошибки DA4, которое до этого было равно 0В. Дальнейший рост ширины управляющих импульсов приводит к тому, что управление переключениями ШИМ-ком-паратора DA2 передается к усилителю DA4, и последующего за этим увеличения ширины управляющих импульсов уже не происходит (режим ограничения), т.к. ширина этих импульсов перестает зависеть от уровня сигнала обратной связи на прямом входе усилителя ошибки DA3.

Схема защиты от КЗ в нагрузках условно может быть разделена на защиту каналов выработки положительных напряжений и защиту каналов выработки отрицательных напряжений, которые схемотехнически реализованы примерно одинаково.
Датчиком схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов выработки положительных напряжений (+5В и +12В) является диодно-резистивный делитель D11, R17, подключенный между выходными шинами этих каналов. Уровень напряжения на аноде диода D11 является контролируемым сигналом. В нормальном режиме работы, когда напряжения на выходных шинах каналов +5В и +12В имеют номинальные величины, потенциал анода диода D11 составляет около +5,8В, т.к. через делитель-датчик протекает ток с шины +12В на шину +5В по цепи: шина +12В — R17- D11 — шина +56.

Контролируемый сигнал с анода D11 подается на резистивный делитель R18, R19. Часть этого напряжения снимается с резистора R19 и подается на прямой вход компаратора 1 микросхемы U3 типа LM339N. На инвертирующий вход этого компаратора подается опорный уровень напряжения с резистора R27 делителя R26, R27, подключенного к выходу опорного источника Uref=+5B управляющей микросхемы U4. Опорный уровень выбран таким, чтобы при нормальном режиме работы потенциал прямого входа компаратора 1 превышал бы потенциал инверсного входа. Тогда выходной транзистор компаратора 1 закрыт, и схема ИБП нормально функционирует в режиме ШИМ.

В случае КЗ в нагрузке канала +12В, например, потенциал анода диода D11 становится равным 0В, поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 1 станет выше, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора откроется. Это вызовет закрывание транзистора Q4, который нормально открыт током базы, протекающим по цепи: шина Upom — R39 — R36 -б-э Q4 — «корпус».

Открывание выходного транзистора компаратора 1 подключает резистор R39 к «корпусу», и поэтому транзистор Q4 пассивно закрывается нулевым смещением. Закрывание транзистора Q4 влечет за собой зарядку конденсатора С22, который выполняет функцию звена задержки срабатывания защиты. Задержка необходима из тех соображений, что в процессе выхода ИБП на режим, выходные напряжения на шинах +5В и +12В появляются не сразу, а по мере зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Опорное же напряжение от источника Uref, напротив, появляется практически сразу же после включения ИБП в сеть. Поэтому в пусковом режиме компаратор 1 переключается, его выходной транзистор открывается, и если бы задерживающий конденсатор С22 отсутствовал, то это привело бы к срабатыванию защиты сразу при включении ИБП в сеть. Однако в схему включен С22, и срабатывание защиты происходит лишь после того как напряжение на нем достигнет уровня, определяемого номиналами резисторов R37, R58 делителя, подключенного к шине Upom и являющегося базовым для транзистора Q5. Когда это произойдет, транзистор Q5 открывается, и резистор R30 оказывается подключен через малое внутреннее сопротивление этого транзистора к «корпусу». Поэтому появляется путь для протекания тока базы транзистора Q6 по цепи: Uref — э-6 Q6 — R30 — к-э Q5 -«корпус».

Транзистор Q6 открывается этим током до насыщения, в результате чего напряжение Uref=5B, которым запитан по эмиттеру транзистор Q6, оказывается приложенным через его малое внутреннее сопротивление к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Это, как было показано ранее, ведет к останову работы цифрового тракта микросхемы, пропаданию выходных управляющих импульсов и прекращению переключении силовых транзисторов Q1, Q2, т.е. к защитному отключению. КЗ в нагрузке канала +5В приведет к тому, что потенциал анода диода D11 будет составлять всего около +0.8В. Поэтому выходной транзистор компаратора (1) окажется открыт, и произойдет защитное отключение.
Аналогичным образом построена защита от КЗ в нагрузках каналов выработки отрицательных напряжений (-5В и -12В) на компараторе 2 микросхемы U3. Элементы D12, R20 образуют диодно-резистивный делитель-датчик, подключаемый между выходными шинами каналов выработки отрицательных напряжений. Контролируемым сигналом является потенциал катода диода D12. При КЗ в нагрузке канала -5В или -12В, потенциал катода D12 повышается (от -5,8 до 0В при КЗ в нагрузке канала -12В и до -0,8В при КЗ в нагрузке канала -5В). В любом из этих случаев открывается нормально закрытый выходной транзистор компаратора 2, что и обуславливает срабатывание защиты по приведенному выше механизму. При этом опорный уровень с резистора R27 подается на прямой вход компаратора 2, а потенциал инвертирующего входа определяется номиналами резисторов R22, R21. Эти резисторы образуют двуполярно запитанный делитель (резистор R22 подключен к шине Uref=+5B, а резистор R21 — к катоду диода D12, потенциал которого в нормальном режиме работы ИБП, как уже отмечалось, составляет -5,8В). Поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 2 в нормальном режиме работы поддерживается меньшим, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора будет закрыт.

Защита от выходного перенапряжения на шине +5В реализована на элементах ZD1, D19, R38, С23. Стабилитрон ZD1 (с пробивным напряжением 5,1В) подключается к шине выходного напряжения +5В. Поэтому, пока напряжение на этой шине не превышает +5,1 В, стабилитрон закрыт, а также закрыт транзистор Q5. В случае увеличения напряжения на шине +5В выше +5,1В стабилитрон «пробивается», и в базу транзистора Q5 течет отпирающий ток, что приводит к открыванию транзистора Q6 и появлению напряжения Uref=+5B на выводе 4 управляющей микросхемы U4, т. е. к защитному отключению. Резистор R38 является балластным для стабилитрона ZD1. Конденсатор С23 предотвращает срабатывание защиты при случайных кратковременных выбросах напряжения на шине +5В (например, в результате установления напряжения после скачкообразного уменьшения тока нагрузки). Диод D19 является развязывающим.

Схема образования сигнала PG в данном импульсном блоке питания является двухфункциональной и собрана на компараторах (3) и (4) микросхемы U3 и транзисторе Q3.

Схема построена на принципе контроля наличия переменного низкочастотного напряжения на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1, которое действует на этой обмотке лишь при наличии питающего напряжения на первичной обмотке Т1, т.е. пока импульсный блок питания включен в питающую сеть.
Практически сразу после включения ИБП в питающую сеть появляется вспомогательное напряжение Upom на конденсаторе СЗО, которым запитывается управляющая микросхема U4 и вспомогательная микросхема U3. Кроме того, переменное напряжение со вторичной обмотки пускового трансформатора Т1 через диод D13 и то-коограничивающий резистор R23 заряжает конденсатор С19. Напряжением с С19 запитывается резистивный делитель R24, R25. С резистора R25 часть этого напряжения подается на прямой вход компаратора 3, что приводит к закрыванию его выходного транзистора. Появляющееся сразу вслед за этим выходное напряжение внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B за-питывает делитель R26, R27. Поэтому на инвертирующий вход компаратора 3 подается опорный уровень с резистора R27. Однако этот уровень выбран меньшим, чем уровень на прямом входе, и поэтому выходной транзистор компаратора 3 остается в закрытом состоянии. Поэтому начинается процесс зарядки задерживающей емкости С20 по цепи: Upom — R39 — R30 — С20 — «корпус».
Растущее по мере зарядки конденсатора С20 напряжение подается на инверсный вход 4 микросхемы U3. На прямой вход этого компаратора подается напряжение с резистора R32 делителя R31, R32, подключенного к шине Upom. Пока напряжение на заряжающемся конденсаторе С20 не превышает напряжения на резисторе R32, выходной транзистор компаратора 4 закрыт. Поэтому в базу транзистора Q3 протекает открывающий ток по цепи: Upom — R33 — R34 — 6-э Q3 — «корпус».
Транзистор Q3 открыт до насыщения, а сигнал PG, снимаемый с его коллектора, имеет пассивный низкий уровень и запрещает запуск процессора. За это время, в течение которого уровень напряжения на конденсаторе С20 достигает уровня на резисторе R32, импульсный блок питания успевает надежно выйти в номинальный режим работы, т.е. все его выходные напряжения появляются в полном объеме.
Как только напряжение на С20 превысит напряжение, снимаемое с R32, компаратор 4 переключится, него выход ной транзистор откроется.
Это повлечет за собой закрывание транзистора Q3, и сигнал PG, снимаемый с его коллекторной нагрузки R35, становится активным (Н-уровня) и разрешает запуск процессора.
При выключении импульсного блока питания из сети на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1 переменное напряжение исчезает. Поэтому напряжение на конденсаторе С19 быстро уменьшается из-за малой емкости последнего (1 мкф). Как только падение напряжения на резисторе R25 станет меньше, чем на резисторе R27, компаратор 3 переключится, и его выходной транзистор откроется. Это повлечет за собой защитное отключение выходных напряжений управляющей микросхемы U4, т.к. откроется транзистор Q4. Кроме того, через открытый выходной транзистор компаратора 3 начнется процесс ускоренной разрядки конденсатора С20 по цепи: (+)С20 — R61 — D14 — к-э выходного транзистора компаратора 3 — «корпус».

Как только уровень напряжения на С20 станет меньше, чем уровень напряжения на R32, компаратор 4 переключится, и его выходной транзистор закроется. Это повлечет за собой открывание транзистора Q3 и переход сигнала PG в неактивный низкий уровень до того, как начнут недопустимо уменьшаться напряжения на выходных шинах ИБП. Это приведет к инициализации сигнала системного сброса компьютера и к исходному состоянию всей цифровой части компьютера.

Оба компаратора 3 и 4 схемы выработки сигнала PG охвачены положительными обратными связями с помощью резисторов R28 и R60 соответственно, что ускоряет их переключение.
Плавный выход на режим в данном ИБП традиционно обеспечивается при помощи формирующей цепочки С24, R41, подключенной к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Остаточное напряжение на выводе 4, определяющее максимально возможную длительность выходных импульсов, задается делителем R49, R41.
Питание двигателя вентилятора осуществляется напряжением с конденсатора С14 в канале выработки напряжения -12В через дополнительный развязывающий Г-образный фильтр R16, С15.

Введение.

1. Техническое описание.

1.1 Описание принципа работы блока питания формата АТХ.

1.2 Описание структурной схемы блока питания формата АТХ.

1.3 Описание электрической принципиальной схемы.

1.4 Типичные неисправности и их устранения.

1.5 Технические характеристики.

2. Технологическая часть.

2.1 Технология изготовления печатной платы.

2.2 Техналогия монтажа SMD элементов.

3. Безопасные условия труда.

3.1 Безопасные условия труда при механосборочных работах.

3.2 Безопасность труда при электромонтажных работах.

3.3 Безопасность труда при регулировочных работах.

4. Заключение.

А. Структурная схема.

Б. Схема электрическая принципиальная.

В. Сборочный чертёж.

Г. Перечень элементов.

Введение.

Блок питания — это не только один из самых важных компонентов ПК, но, к сожалению, наименее всего замечаемый. Покупатели компьютеров помногу часов обсуждают частоту процессоров, ёмкость модулей памяти, объём и скорость жёстких дисков, производительность видеоадаптеров, размер экрана монитора и т.д., однако крайне редко (или вообще никогда) упоминают о блоках питания. Когда система собирается из самых дешёвых компонентов, на какой элемент производитель обращает меньше всего внимания? Правильно, на блок питания. Для многих это просто невзрачная серая металлическая коробка, расположенная внутри компьютера и покрытая слоем пыли. Иногда пользователи всё же задумываются о блоке питания, интересуясь исключительно мощностью в ваттах (несмотря на то, что не существует практических методов проверки этой мощности) и, упуская из виду важнейшие моменты, а именно: стабильна ли подача энергии либо напряжение отличается, шумом, скачкообразным выбросом и перебоями.

Блок питания крайне важен, так как подаёт электроэнергию каждому компоненту системы. Кроме того, он же является из самых ненадёжных компьютерных устройств, так как по статистике именно блоки питания чаще всего выходят из строя. Не в последнюю очередь это связано с тем, что многие производители устанавливают самые дешёвые блоки питания, которые только можно найти. Неисправный блок питания может не только помешать стабильной работе системы, но и физически повредить её компоненты неустойчивым электрическим напряжением.

1. Техническое описание.

1.1. Описания принципа работы источника питания АТХ.

При подаче напряжения на источник питания от сети, в нём происходит выпрямление переменного напряжения сети, затем преобразование постоянного напряжения в импульсное. Благодаря тому, что источник питания имеет импульсный трансформатор значительно стало легче контролировать выходные напряжения. После того как импульсное напряжение выпрямляется получается постоянное напряжение. Постоянное напряжение подаётся к потребителям т. е. к модулям памяти, материнскую плату, процессору, жёсткому диску, CD ROM, флопику и т.д.

Главное назначение блоков питания – преобразование электрической энергии, поступающей из электрической сети переменного тока, в энергию пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В., 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и 12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых носителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) — +12 В. Компьютер работает надёжно в тех случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

Общие сведения. Источник питания АТХ состоит из следующих элементов:

Выпрямителя напряжения сети;

Элементов цепи запуска преобразователя, стабилиза ции и защиты;

Формирователя сигнала Р.G.;

Выпрямителей импульсного напряженя.

Источник питания функционально содржит элементы цепей формрования вспомогательного сигнала Р.G., цепь управления дистанционным включением РS ON, в составе имеются вспомогательный автогенератор с выходным выпрямителем +5В SB,дополнительный выпрямитель +3,3 В, а также другие элементы присущие источнику питания АТХ. 1.2 Описание структурной схемы.

Для понимания функционирования и структуры источника питания системного модуля приводятся структурная схема источника формата ATХ, и поясняется его работа.

В источнике питания формата ATХ напряжение питания через внешний размыкатель сети, распложенный в корпусе системного блока, поступает сетевой фильтр и низкочастотный выпрямитель. Далее выпрямленное напряжение, величиной порядка 300 В., полумостовым преобразователем преобразуется в импульсное. Развязка между первичной сетью и потребителями осуществляется импульсным трансформатором. Вторичные обмотки импульсного трансформатора подключены к высокочастотным выпрямителям ±12 В. и ±5 В. и соответствующим сглаживающим фильтрам.

Сигнал Power Good (питание в норме), подаваемый на системную плату через 0,1…0,5 с после появления питающих напряжений +5 В., выполняет начальную установку процессора. Выход из строя силовой части источника питания предотвращается узлом защиты и блокировки. При отсутствии аварийных режимов работы эти цепи формируют сигналы, разрешающие функционирование ШИМ-контроллера, который управляет полумостовым преобразователем посредством согласующего каскада. В аварийных режимах работы осуществляется сброс сигнала Power Good.

Длительность открытого состояния ключей преобразователя определяет величину напряжения выходных источников. Поддержание выходных напряжений постоянному значению в контроллере обеспечивается системой управления с обратной связью, при этом в качестве ошибки используется отклонение выходного напряжения от источника +5 В.

Входной фильтр .

Интенсивность помех существенно зависит от быстродействия транзисторов и диодов силовой части, а также длины выводов и элементов и ёмкости монтажа. Наличие помех оказывает неблагоприятное действие и на работу самого блока питания, проявляющееся в ухудшении характеристик стабилизации источника.

При анализе схемотехнике импульсных источников питания принято различать синфазную и дифференциальную составляющие помехи. Синфазное напряжение измеряется относительно корпуса устройства с каждым из полюсов шин питания источника. Дифференциальная составляющая, измеряющая между полюсами шин питания (первичной, нагрузочной), ещё её определяют как разность синфазных составляющих помехи между шинами соответствующей цепи. Наилучшим средством снижения уровня помех считается устранение их в местах возникновения, следовательно, место включения фильтра строго определено – на входе источника питания. При разработки фильтра источников питания наибольшее внимание уделяют подавлению именно синфазной и дифференциальной составляющих помех в сети.

Низкочастотный выпрямитель, сглаживающий

Питание преобразователя блока питания осуществляется постоянным напряжением, которое вырабатывается низкочастотным выпрямителем. Схема низкочастотного выпрямителя собрана по мостовой схеме и обеспечивает необходимое качество выпрямленного напряжения. Последующее сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется фильтром. Возможность питания от сети с напряжением 115 В. реализуется введением схем выпрямителя переключателя питающего напряжения. Замкнутые состояния переключателя соответствует низкому напряжению питающей сети (~115 В.) . В этом случае выпрямитель работает по схеме удвоения напряжения. Одной из функции выпрямителя является ограничение тока зарядки входного конденсатора низкочастотного фильтра, выполненного элементами, входящими в состав выпрямительного устройства блока питания. Необходимость их применения вызвана тем, что режим запуска преобразователя близок к режиму короткого замыкания. Зарядный ток конденсаторов при этом может достигать 10-100 ампер. Здесь существует две опасности, одна из которых – выход из строя диодов низкочастотного фильтра, а вторая износ электролитических конденсаторов, при прохождении через них больших зарядных токов.

Как работает электричество. Всё про шим и элементы материнской платы | COREX

COREX

Четвёртая часть курса по ремонту компьютеров и ноутбуков. Как устроен компьютер: мощность, напряжение, сила тока, шим. Как работает шим-контроллер, транзистор, дроссель, конденсатор, резистор и диод

Содержание

Содержание

Компьютер работает с помощью электричества

Компьютер работает с помощью электричества

Друзья, статья написана для обучения мастера по ремонту компьютеров и ноутбуков, поэтому большинство теоретических вещей сводятся к прикладному применению. Поехали!

Компьютер питается электричеством и работает с его помощью. По сути никто не знает, что такое электричество, но известно как его измерять и каким законам оно подчиняется. Для нас проще всего представить, что электричество это как вода в трубах, а краники, манометры и прочее — это элементы электрической цепи на плате ноутбука или компьютера.

Для работы с электричеством нужно знать четыре величины измерения:

1. Напряжение (U), измеряется в Вольтах (V)
2. Cила тока (I), измеряется в Амперах (А)
3. Сопротивление (R), измеряется в Омах (Ом)
4. Мощность (P), измеряется в Ваттах (W)

Первые три из них составляют закон Ома — сила тока прямо пропорциональна напряжению цепи и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

То есть мы имеем силу тока, и она зависит от напряжения и сопротивления в цепи, где протекает ток. Также есть мощность, чтобы узнать мощность, нужно перемножить напряжение на силу тока, также и обратно, чтобы узнать ток или напряжение. Можно это вывести из формул (I=U/R, P=UI).

Эта информация пригодится, чтобы решать вступительные задачки на vlab и remont-aud =)

Как измерить напряжение, силу тока и мощность

Как измерить напряжение, силу тока и мощность

Если знать обозначения величин, вы сможете рассчитать мощность зарядок для ноутбуков и компьютерных блоков питания. Просто нужно знать как рассчитывается напряжение, мощность или сила тока для них.

Напряжение в вольтах (V) можно узнать, если разделить мощность в ваттах (W) на силу тока в амперах (A). Если блок питания для ноутбука на 90W и 4.74A, значит 90 / 4.74 = 19V, то есть блок на 19 вольт. Формула для расчёта W/A=V.

Силу тока в амперах (A) можно узнать, если разделить мощность в ваттах (W) на напряжение в вольтах (V). Если блок питания для ноутбука на 65W и 19V, значит 65 / 19 = 3.42A, то есть блок силой тока 3.42 ампера. Формула для расчёта W/V=A.

Мощность в ваттах (W) можно узнать, если умножить напряжение в вольтах (V) на силу тока в амперах (A). Если подать напряжение на плату, где короткое замыкание, и лабораторный блок питания показывает просадку до 1.38V и силу тока 4A, значит 1.38 * 4 = 5.5W, то есть неисправный элемент на плате потребляет сейчас 5.5 ватт. Кстати, чем больше он потребляет, тем сильнее он греется. Ощутимый нагрев начинается где-то с 3-5 ватт. Формула для расчёта V*A=W.

Манипулируя величинами, вы легко рассчитете настоящую мощность компьютерного блока питания. Настоящая мощность компьютерного БП это та мощность, которую он может выдать по линии питания 12V. Иногда их две, тогда справедливо их сложить.

Мощность этого блока заявлена 350W. Проверьте, 12V умножьте на 17A и получите всего 204W. Таким не хитрым способом легко проверять блок на «вшивость». Это один из косвенных факторов, который говорит о качестве блока. Чем мощность питания по 12V линии ближе к общей заявленной мощности блока, тем лучше.

Шим и шим-контроллер

Шим и шим-контроллер

Сейчас будет сложнее, сконцентрируйте внимание.

Основными элементами питания материнской платы ноутбука и компьютера управляет шим-контроллер.

Шим-контроллер (контроллер широтно-импульсной модуляции) – это маленькая микросхемка, которая внутри себя быстро и циклично «коротит» и «не коротит» на землю большое напряжение, чтобы сделать из него маленькое. Например, делает из 19V блока питания ноутбука 3V для питания мультиконтроллера или 5V для питания USB-портов.

Для этого шим несколько десятков-сотен тысяч раз в секунду замыкает большое напряжение на землю, чтобы на выходе получалось напряжение меньше. Чем дольше замыкание и меньше между ними промежутки, тем меньше напряжение на выходе.

Углубляемся. По сути шим генерирует так называемые импульсы, это всплески электричества после каждого замыкания. Именно такой импульс несёт в себе заряд для 3V и 5V, которые запитывают материнскую плату ноутбука. Эти импульсы возникают не хаотично, а последовательными циклами. Один цикл такого импульса называется такт.

Один такт – это цикл времени, за который происходит один импульс, когда шим замыкает и не замыкает напряжение один раз. Такие такты измеряются в Герцах (Гц), где 1 такт = 1 Гц.

Если шим-контроллер работает на частоте 30 Гц, это значит, что он 30 раз замыкает и не замыкает входное напряжение за секунду. То есть создаёт 30 цикличных импульсов в секунду. Шим может генерировать частоту в среднем от 30 кГц до 3 ГГц, это десятки тысяч и миллионы тактов в секунду.

Время, на которое шим замыкает входное напряжение называется скважность. Как раз от скважности и будет зависеть наше напряжение на выходе.

Чем дольше шим замыкает на землю входное напряжение, то есть чем больше скважность, тем меньше напряжение на выходе, потому что оно сильнее проседает от такого короткого замыкания. И, соответственно, чем меньше скважность, тем больше напряжение на выходе, потому что шим замыкает входное напряжение совсем небольшую часть такта.

Есть шим-контроллеры, которые сами регулируют напряжение с помощью шим-модуляции, но большинство контроллеров в ноутбуке делают это с помощью полупроводниковых полевых транзисторов, мосфетов, «ключей».

Через управляющий контакт шим-контроллер заставляет замыкаться мощные ключи, которые могут выдержать большую силу тока, чем сам контроллер. Сила тока нужна, чтобы запитать больше устройств от одной линии питания без падения напряжения, измеряется в амперах (А).

Транзистор

Транзистор

Транзистор, мосфет, «ключ» — это микросхема, которая выполняют всю физическую, силовую часть работы, чтобы сделать из большого напряжение маленькое.

Контакт транзистора, на который поступает входное напряжение называется исток (source, S), а тот, с которого выходит напряжение — сток (drain, D). Контакт, через который шим-контроллер управляет работой мосфета называется затвор (gate, G). Исток и сток могут дублироваться.

Транзистор напоминает кран, который управляет потоком воды: открыли с помощью лёгкого усилия руки — потекла вода мощной струёй, закрыли — перестала, открыли наполовину — течёт не в полную силу. На деле же у транзистора есть своё сопротивление, которое меняется в зависимости от того, какое напряжение подаётся на его затвор.

С помощью такой штуки можно, например, регулировать обороты вентилятора: мультиконтроллер считывает температуру процессора и отдает команду на затвор транзистора. От подаваемой силы тока зависит выходное напряжение и следовательно обороты вентилятора. Это позволяет избежать постоянно работающего вентилятора на максимальных оборотах.

Зачем нужны силовые транзисторы

Зачем нужны силовые транзисторы

Внутри шим-контроллера стоят условно такие же микротранзисторы. Этими микротранзисторами шим и формирует внутри себя изначальный шим-сигнал, о котором идёт речь. Проблема в том, что силы тока этого шим-сигнала недостаточно, чтобы запитать мощную видеокарту, потому что микротранзисторы внутри шим-контроллера очень маленькие и слабые. Если подавать через них большую силу тока, то они перегреются и выйдут из строя.

Проблему решили так: придумали посылать шим-сигнал с шим-контроллера на управляющий контакт больших полевых транзисторов, чтобы мощные внешние транзисторы дублировали шим-сигнал контроллера, но с большой силой тока. Такая сила тока может запитывать самые мощные элементы материнской платы и компьютера.

Если разбирать полевой транзистор в паре с шим-контроллером, то таких транзистора там обычно два.

Первый подключен одной стороной ко входному напряжению, к такому же, как шим-контроллер, а другой стороной к выходному напряжению. Такой транзистор называется мосфетом верхнего плеча.

Второй транзистор подключен одной стороной к выходному напряжению, а другой стороной к земле. Он называется мосфетом нижнего плеча.

Полевые транзисторы в такой паре работают не как привычные краники для воды, которые чуть больше или меньше пропускают воду, а в режиме переключателей, которые либо полностью её пропускают, либо не пропускают её вообще. Это нужно для того, чтобы чётко повторить форму шим-сигнала, которую даёт им шим-контроллер.

Шим-контроллер посылает шим-сигнал на затвор полевого транзистора верхнего плеча

Итак, пример. Транзистор верхнего плеча одной стороной подключен ко входному напряжению 19V, второй стороной подключен к выходному напряжению, которое он должен сделать, допустим, что это 3V.

Шим-контроллер присылает на затвор этого транзистора шим-сигнал, состоящий из такой длины импульсов, чтобы из 19V на выходе получалось 3V. Транзистор точно повторяет последовательность и ширину импульсов присланного сигнала, и пропускает 19V в сторону будущих 3V так, как это диктует ему шим-контроллер в шим-сигнале. Но замыкать этот сигнал на землю некуда, потому что к истоку подключено 19V, к стоку 3V, а на затвор приходит шим-сигнал с шим-контроллера.

Для этого придумали транзистор нижнего плеча, который одной стороной подключен к будущему напряжению 3V, а другой стороной к земле. Он получает от шим-контроллера прямо противоположный сигнал, чем тот, который направляется на транзистор верхнего плеча. Такой прямо противоположный сигнал называется противофаза. В нём нет импульса в то время, когда в оригинальном сигнале он есть, и наоборот, есть импульс в то время, когда в оригинальном сигнале его нет.

Шим-контроллер посылает шим-сигнал в противофазе на затвор полевого транзистора нижнего плеча

Это нужно для того, чтобы транзистор нижнего плеча не замыкал сигнал на землю, когда транзистор верхнего плеча пропускает ток с 19V на будущие 3V, и наоборот, когда 19V прошли в сторону будущих 3V, создать скважность, то есть закоротить их на землю по времени настолько, чтобы после сглаживания получалось из приходящих 19V нужные 3V.

Таким образом, транзисторы верхнего и нижнего плеча работают в паре, повторяя шим-модуляцию шим-контроллера, замыкая и размыкая входное напряжение так, чтобы получалось более низкое напряжение на выходе, но с большей силой тока, чем в шим-контроллере.

Дроссель

Дроссель

Дроссель это проволока, которая намотана на ферритовый стержень. Феррит это материал, из которого обычно делают магниты, он обладает магнитными свойствами. Иногда, эта проволока с ферритом запрессована в квадратную форму, как на фото выше.

Такая конструкция умеет гасить импульсы шим-сигнала и сглаживать их до нужных значений. Напомню, что шим-сигнал это сочетание импульсов высокого напряжения и скважности, то есть полного отсутствия напряжения.

Когда через дроссель проходит импульс шим-сигнала, дроссель поглощает его, чтобы создать магнитное поле, а когда в такте наступает скважность, то есть 0V, энергия, накопившаяся в магнитном поле, разряжается обратно в цепь, но в выравненном виде. Таким образом получается более низкое напряжение.

Это можно сравнить с тем, как если бы вас попросили набрать максимальное количество воздуха в грудь за серию очень коротких прерывистых вдохов. Вы несколько раз кротко и прерывисто вдыхаете, а после этого равномерно выдыхаете весь воздух.

Также и импульсы шим-сигнала напитывают электромагнитное поле дросселя, заряжая его, и в период, когда импульсов нет, равномерно возвращаются током обратно в цепь. Вот так в упрощённой форме изложения из скачкообразного шим-сигнала получается ровный сигнал, но уменьшенного напряжения.

Шим-контроллер в свою очередь знает, что после силовых ключей стоит дроссель, и специально подаёт импульсы такой длины, чтобы после их сглаживания получалось нужное напряжение, например, 5V или 3V.

Обычно дроссель ставят в пару с конденсаторами, чтобы те тоже немного сгладили остатки всплесков. Во время работы дроссель вырабатывает электромагнитное поле из-за своего сопротивления высоким и низким частотам, из-за этого также он может немного греться.

Главный параметр дросселя – индуктивность, измеряется в генри (Гн). Это параметр сопротивления напряжению, учитывайте его при замене дросселя.

На схеме дроссель обозначается:

• L*
• PL*
• PHASE*
• CHOKE*

Конденсатор

Конденсатор

Конденсатор это две пластинки с диэлектриком между ними, через него напряжение не проходит.

Конденсатор накапливает в себе заряд и отдаёт его, когда в цепи недостаток. Почти как дроссель, только очень маленький и работающий по другому принципу. Конденсатор больше страхует цепь от перепадов напряжения, чем выполняет основную работу по формированию тока. Он работает как батарейка, чтобы полностью зарядить его требуются доли секунд и разряжаться он может мгновенно.

В импульсных системах конденсатор служит фильтром частот, его ставят для того, чтобы сгладить импульсы или шумы. В отличие от дросселя он делает это не всё время, а наоборот, страхует всю цепь питания в момент мимолётного перенапряжения или просадки.

Например, в микромомент, когда напряжение кратковременно начинает проседать, конденсатор разряжает свою ёмкость в цепь, чтобы повысить и стабилизировать напряжение в цепи. В следующий раз конденсатор поглощает импульс и заряжается, когда на линии питания скачок напряжения.

Ёмкость заряда, которую конденсатор может накапливать, измеряется в фарадах. Чем больше ёмкость, тем больший ток конденсатор выдаст при разрядке. В основном конденсаторы встречаются с ёмкостями в микрофарадах (uF), нанофарадах (nF) и пикофарадах (pF).

Обычно в ноутбуках выходят из строя как раз такие керамические конденсаторы, их нужно менять на точно такие же по фарадам. Можно ставить конденсатор больше по напряжению, но он должен быть такой же ёмкости. Нельзя ставить конденсатор другой ёмкости или такой же ёмкости, но с меньшим напряжением

В цепи 19 вольт стоят конденсаторы 30 вольт, потому что сам блок питания ноутбука выдаёт не всегда ровно 19 вольт. Блоки питания также импульсные, и эти импульсы могут достигать в короткий момент тех же самых 30 вольт.

Так как конденсатор 30 вольт, то для него не помеха сгладить такой импульс, но если поставить туда конденсатор в 20 вольт, то он будет сначала сильно греться, а потом и вовсе выйдет из строя. Сломанный конденсатор может вывести из строя блок питания и компоненты на материнской плате.

Если же поставить конденсатор с запасом по напряжению, но меньший по ёмкости, то он будет хуже справляться со сглаживанием импульсов, а если поставить большую ёмкость, то конденсатор наоборот может их создавать, потому что напряжение может просаживаться из-за того, что импульсы шим-контроллера не рассчитаны на такую ёмкость в цепи. Такой конденсатор будет разряжаться с более сильным током, что может повредить цепь питания.

Каждый конденсатор стоит в цепи не просто так, проектировщики на заводах ставят их исходя из возможностей микросхем и потребителей питания. Конденсаторы с меньшей ёмкостью гасят высокочастотные импульсы, потому что быстро копят и отдают заряд, а конденсаторы с большей ёмкостью хорошо справляются с более широкими импульсами. Поэтому частая проблема выбитых конденсаторов — некачественное зарядное устройство с большими, предварительно не сглаженными импульсами.

Практически: конденсатор 6.3V 440uF можно поменять на 10V 440uF, но нельзя менять на 6.3V 220uF или 3. 3V 440uF.

На схеме конденсатор обозначается:

• C*
• PC*

Резистор

Резистор

Резистор это элемент в электрической цепи, который сопротивляется току и ограничивает его.

Резистор можно сравнить с воронкой с узким горлышком. Если запустить в воронку поток воды любого объёма, на выходе всё равно будет небольшая струйка, которая совпадает по диаметру с горлышком воронки.

На практике чтобы так работало, сопротивление резистора, которое измеряется в Омах, подбирается так, чтобы получить ограничение нужного размера. Чем больше сопротивление резистора, тем сильнее ограничивается ток. Это важно знать в нашей профессии, потому что цифровая техника очень чувствительна к току и неправильно подобранный резистор может вывести технику из строя.

Резисторы часто используют для подтяжки напряжения к логическому сигналу (Pull-Up) или подтяжки логического сигнала к земле (Pull-Down).

Разберём на примере. Есть сигнал PWRBTN#, это сигнал кнопки включения. Условно, PWRBTN# существует как часть мультиконтроллера и находится внутри корпуса мультиконтроллера, его внутренней прошивки или внешней. Изначально он не имеет ни своей земли, ни своего напряжения, ни к чему не подключен. Он существует «в вакууме», как нога контроллера, как сенсор, который никак не задействован в системе.

Когда инженеры проектируют материнскую плату, они подводят 3V через резистор к ноге мультиконтроллера, в которой находится сигнал PWRBTN# и закладывают в прошивку мультиконтроллера алгоритмы поведения на этом сигнале.

Мультиконтроллер учат понимать, что на этой ноге по умолчанию 3V, а бывает ничего нет, потому что человек нажимает на кнопку включения компьютера или ноутбука, и при нажатии кнопка на корпусе компьютера механически замыкает подведённый к ней PWRBTN# на землю.

Когда ничего нет, это значит, что нажата кнопка включения. Мультконтроллер распознаёт это как полное отсутствие сигнала — логический ноль, то есть 0V, отсутствие напряжения. Либо если кнопка не нажата, то как полное его присутствие — логическая единица, то есть 3V.

С помощью такого знания мультиконтроллер может давать команду включать компьютер или не включать. Если состояние 0, то включить или выключить компьютер, если состояние 1, то ничего не делать.

Так реализована логика работы контроллеров на материнской плате. Но при чём тут резисторы? Если бы мощность силовых 3V не ограничивалась бы резистором, то вся сила тока цепи могла бы вывести из строя чувствительные логические выводы мультиконтроллера, а при замыкании кнопки она замыкала напряжение прямо на землю.

В месте замыкания сила тока могла бы вырасти до десятков ампер, а такой цели нет. Нужно всего лишь, чтобы мультиконтроллер понял, когда напряжение есть, а когда его нет. Для этого нам не нужна вся мощь силовой линии, нам нужен небольшой ток просто для отработки логики 0 и 1, поэтому придумали ставить резисторы, чтобы создавать контролируемые замыкания без лишнего нагрева и последствий.

На схеме резистор обозначается:

• R*
• PR*
• RT*

Всё, что нужно знать, так это то, что диод проводит ток в одну сторону и не проводит в другую. Диоды часто ставят в цепь для защиты от переполюсовки.

Человек втыкает мышку в USB-порт, она не лезет, он её пихает, USB-порт ломается. Центральный адресный сигнал USB замыкается на 5V. Если там нет диодной защиты, 5V попадает на USB-контроллер или ещё хуже, попадает в чипсет и выводит из строя материнскую плату. Если на адресном сигнале USB стоит диод, который пропускает адресный сигнал в сторону мышки, и не пропускает ток обратно в материнскую плату, то когда человек сломает USB-порт, компьютер не выйдет из строя.

Диод проверяется прозвонкой, в одну сторону он будет звониться, в другую нет. Если же диод звонится в обе стороны, либо не звонится вообще, то нужно его поменять.

На схеме диод обозначается:

• D*
• PD*

Чарджер (Charger)

Чарджер (Charger)

Чарджер – это микросхема на плате, которая контролирует поступающий заряд на батарею и определяет, когда ноутбук должен работать от неё. Заодно он служит контроллером и регулятором входного напряжения. Как только вы вставляете зарядку или ЛБП в разъём, то напряжение сразу же поступает на входные ключи, они должны открыться, чтобы напряжение прошло дальше, но, пока чарджер не запитан, никто их не откроет.

Нужно, чтобы напряжение с разъёма через диоды и дроссели пришло в чарджер на сигнал VCC или VIN, теперь он запитан от напряжения 19в.

Если всё в порядке, то на сигнале ACDET появится 2.6 вольт. Оно формируется из резисторного делителя от 19 вольт.

Далее идёт проверка сопротивления на токоизмерительном резисторе, после проверки чарджер определяет можно ли открывать входные ключи и включает: на затворы двух входных ключей поступает, через сигнал ACDRV, 19-26 вольт если ключи N-канальные, а если ключи P-канальные, то наоборот напряжение меньше 19 вольт или исчезает.

В это же время идёт опрос аккумулятора чарджером и мультиконтроллером через сигналы SCL и SDA и появляется сигнал ACIN (ACOK), это сигнал 3. 3в, который вырабатывается чарджером, он говорит мультиконтроллеру о том, что подключена зарядка и сейчас питание идёт от неё. Без этого сигнала питание на плату будет идти от аккумулятора. Кстати, иногда, если компьютер не может определить акб, то виновник тому может быть и чаржер, и мультиконтроллер, сначала проверьте с помощью осциллографа идёт ли опрос данных на этих контактах.

Сначала подкиньте заведомо рабочий АКБ или аналог с подходящими пинами (не всегда работает), можете посмотреть как работает такая схема на рабочем ноутбуке, чтобы понять, если вы в первый раз это делаете.

Иногда не работать аккумулятор может из-за ключей, которые дают заряд АКБ, нужно их прозвонить относительно затвор-исток-сток друг с другом, может быть они пробиты, иногда такое может быть и из-за пробитых входных ключей.

Часто придётся иметь дело с чарджером фирмы Texas Instruments, с маркировкой BQ24***. Некоторые из них взаимозаменяемы, нужно смотреть на распиновку и каналы ключей, так же стоит посмотреть на форуме кто это уже делал. Чарджер иногда может выдавать какое-то LDO напряжение, оно может быть 3.3/5/6 вольт. На схеме такая микросхема отмечается, как и любая другая: U*, PU*.

Дежурка (Stend-by)

Дежурка (Stend-by)

Дежурка работает на ШИМ, принцип запуска и работы аналогичен чарджеру, она запитывается от напряжения 19в уже после входных ключей. Напряжение идёт на сигнал VIN или VCC. Сигналы могут по-разному называться, но принцип у них один и тот же.

После этого появляются слаботочные напряжения 3.3в и 5в (vreg3 и vreg5). Эти напряжения линейны, т.е. в зависимости от потребителя напряжение может «просесть», так как не основано на ШИМ. От такого напряжения запитываются только слаботочные потребители, такие как мультиконтроллер или другие шим-контроллеры.

После того, как появились LDO и мультиконтроллер запитался напряжением 3.3в LDO, он отправляет сигнал на включение силовых питаний дежурных напряжений (EN1 и EN2), основанных на принципе ШИМ. На этой схеме один EN реализованный через резисторный делитель из 19в. Выглядит дежурка на плате как одна маленькая микросхемка, иногда и две, под отдельные напряжения 3 и 5 вольт.

Рядом с дежуркой стоят минимум 4 полевых транзистора и 2 дросселя, иногда не одинакового размера. В редких случаях роль полевиков берет на себя сама дежурка, разве что, когда 3 и 5 вольт стоят отдельными шимками. Иногда шим стоит на одной стороне платы, а дроссели на другой.

Сопротивление на силовых 3В не меньше 6 Ком, на 5В ~>13 Ком. Иногда сопротивление намного меньше этих, в таких случаях поможет опыт или форум, главное, чтобы не было короткого замыкания. Смотрите даташит, если не знаете какой сигнал идёт сразу, а какой нет.

Чаще придётся работать с дежурками фирмы Texas Instruments (TPS*) и Richtek (RT*). Когда сама дежурка выйдет из строя или будет некорректно работать, нужно будет сначала проверить сопротивления на линиях LDO ~> 100 Ком, на силовых линиях и на входе питания шимки, потом снять дежурку и сделать те же замеры заново. Если ничего не изменилось, то дело не в контроллере, если наблюдаете изменения (например повысилось сопротивление), то ставьте новую.

Подробнее о замене дежурок на аналог читайте в следующей статье.
На плате дежурка обозначается как рядовой контроллер: U*, PU*

Мультиконтроллер

Мультиконтроллер

В простонародье мультик или мульт. Главный контроллер, с помощью которого определяется последовательность сигналов включения на плате. У мультиконтроллера 128 пинов, по 32 с каждой стороны. Паять его можно разными способами: разбавить паяльником бессвинцовый припой сплавом розе и потом снять, либо разбавить его свинцом. В том и том случаи такой сплав будет легче сниматься.

Снимать мульт надо феном, с розе он быстро снимется, со свинцом посложнее. Не стоит выпаивать мультиконтроллер с припоем с завода, так сложнее снимается и когда будете ставить новый мульт, то всё равно будете лудить свинцом, а из-за перегрева с корпуса начнёт слезать корпусная часть и он начнёт «трескать».

Чтобы разбавить заводской припой, нанесите на жало небольшое количество припоя, с которым хотите смешать. Положите флюс на ножки мульта и возите по ним жалом туда-сюда, только нельзя при этом сильно нажимать на пины, они хоть и крепко стоят, но бывали случаи, когда после такого они выгибались в разные стороны и повреждались. Для облегчения залуживания можно предварительно нагреть мультиконтроллер и эту область феном так, чтобы тепло с жала не уходило на разогрев самого мульта.

Чтобы поставить мультик с донора, аккуратно снимите его. Если погнулись ножки, то сначала ровно поставьте мультик на площадку так, чтобы не согнутые ножки стояли на своих местах и запаяйте его феном, потом возьмите насадку с тонким жалом, встаньте жалом на кривой пин, разогрейте мульт и выпрямите самим паяльником, прижмите к площадке тонким пинцетом или скальпелем. Главное не перестараться и не «довыпрямлять» пин до такой степени, что он отвалится.

Обычно, когда требуется принципиальная схема включения или просто распиновка мульта, а схемы на плату нет, но известен мультиконтроллер, то поищите схему от другого ноутбука, главное, чтобы совпадал именно этот контроллер. Так же при замене посмотрите распиновку мультика, у которого в названии меняется одна цифра или буква. Если всё совпадает, то пробуйте заменить, возможно мультиконтроллер заработает.

Подробнее о взаимозаменяемости мультиконтроллеров найдёте на форумах, некоторые уже испытали тот или иной опыт. Ниже будет таблица с маленьким количеством уже готовых решений, но помните, что после такой замены мульта, нужно обязательно всё проверить по чек листу, иногда такие замены не проходят бесследно.

Обратите внимание, что у мультов фирмы ITE ревизия в виде букв в названии, и последняя из трёх ни на что не влияет. При замене ставьте мультиконтроллер либо такой же буквы, либо старшей по алфавиту, например мульт В меняйте на С, но не с А. Всегда смотрите на форумах, может кто-то так делал и у него получилось. Но таким же испытателем можете быть и вы и потом поделиться опытом, в противном случае плата будет вести себя самым непредсказуемым образом.

Контроллеры так же прошиваются, как и биос, изучите для этого даташит к мульту. COREX для этого использует программатор Вертьянова. Подключите его и следуйте инструкции в приложенном файле. Сначала считайте старый дамп, нажав READ, а потом выберите прошивку на компьютере и нажмите WRITE, но иногда мульт шить не нужно, потому что прошивка мульта лежит в биосе.

Последовательность сигналов и их «сложность» на плате зависит от мультиконтроллера. Подробнее о последовательности сигналов и замене мультов читайте в следующих статьях.

На плате мультиконтроллер обозначается как любой контроллер: U*, PU*.

Сетевая карта

Сетевая карта

Сетевая карта представляет из себя микросхему, которая распаяна на плате и выполняет функцию передачи и приёма данных по сетевому кабелю, либо по беспроводной сети (Wi-Fi). По пинам данных (см. даташит) идёт приём зашифрованного сигнала согласно протоколам TCP/IP из интернета, дешифруется, затем данные обрабатываются хабом и передаются как готовая информация процессору, в дальнейшем она используется нами в программах.

Рассмотрим варианты как проверить сетевую карту перед тем, как ремонтировать:

• подготовьте чистую Windows.
• поставьте заведомо рабочие драйверы с официального сайта разработчика.
• проверьте кабель на обрыв и внешне разъём.
• если это вай-фай модуль, то замените на аналогичный.
• проверьте наличие SMD компоненты рядом с сетевухой.

Нерабочая сетевая карта может:

• отображать треугольник в диспетчере задач
• выглядеть нормально в диспетчере устройств, но не принимать данные и не отправлять.
• не отображаться в списках Windows.
• раскаляться на плате при включении или подаче на линию питания напряжения.

После такого поможет только замена сетевой карты, в редких случаях потребуется замена чипсета или южного моста. Если неисправен вай-фай модуль, то желательно заменить на такой же. Некоторые фирмы зашивают в биос White list поддерживаемых модулей и абы какой не подойдёт. Попробуйте отредактировать биос по пошаговой инструкции на vlab.su или найдите готовый на форума. Для каждой фирмы ноутбука, или даже для материнки, вводите соответствующий запрос, например: «Lenovo b590 белый лист vlab» или «nm-b452 white list»

У больших микросхем сетевых карт большое «пузо», которое играет роль земли. Поэтому, чтобы спаять сетевуху на паялке потребуется температура 300-420 попугаев. Добавьте побольше поток или включите нижний подогрев для упрощенного демонтажа. Если посадочное пузо большое, то при замене пролудите новую микросхему и добавьте по серединке чуть больше припоя, чем нужно.

Уже при посадке на плату чип будет плавать посадочной площадкой на припое, ровно выровняется за счёт сил поверхностного натяжения и сядет пин-к-пину. Сетевуха будет висеть в воздухе, если добавить лишку припоя на пузо.

После посадки смотрите в микроскоп и, если нужно, допаяйте оставшиеся контакты. Делать это надо так, чтобы в микросхеме и на плате между контактом было видно соединение из припоя, оно будет выглядеть как маленькая горочка. При посадке феном нажмите на чип сверху и излишки припоя сами выдавятся, останется их собрать паяльником.

Контакты друг с другом замыкать нельзя, если заметили, что припой лёг сразу на несколько контактов, то не включайте плату пока не устраните «соплю»! При замене ставьте такой же чип, который стоял, если под рукой только аналоги, то читайте статью от аналогах.

На плате схематически сетевая карта обозначается как и другая микросхема: U*, PU*.

Звуковой кодек

Звуковой кодек

Или звуковая карта, можно звуковуха
Принцип работы звукового кодека заключается в кодировании аналогового сигнала с микрофона в понятный для ноутбука цифровой формат (дискретизация). После приёма и оцифровки сигнала обработанные данные идут на хаб, после мы работаем со звуком через программы.

Чтобы вывести звук на динамики, цифровой сигнал преобразовывается опять в аналоговый и выходит уже на наши динамики в виде звука. Качество выходящего звука зависит от этих двух вещей: обработка при записи и динамики.

Проблему звукового кодека в таких случаях выявить несложно, но сначала убедимся, что звуковуха неисправна. Для этого переустановите драйверы с официального сайта и смотрите выходы динамиков, наушников и микрофона. Если не записывается звук, но воспроизводится, то стоит проверить микрофон, если с ним всё в порядке, то замените кодек. Аналогично, если прыгает шкала звукозаписи, но не слышно звука на выходе, то стоит подключить сначала внешние колонки и проверить звук на них.

Бывает, что звуковуха просто не отображается в устройствах. Иногда при воспроизведении слышны нетерпимые слуху искажения, но если слышны отличимые звуки, то стоит сначала проверить динамики на засор или выход из строя. Проверить это можно с помощью мультиметра, на задней стороне написано номинальное сопротивление. Если при измерении будет другое сопротивление, то динамик под замену.

Также попробуйте вставить другие внутренние динамики, можно даже от другого ноутбука, главное:
штекер, соблюдать каналы выхода, не замкнуть из накоротко и сопротивление самих динамиков. Цвет проводов безразличен. Если на внешних слышно звук, а на родных встроенных и подкидных не слышно или шипение, то меняйте кодек.

Не бывает, что микрофон, динамики и кодек рабочие, а звука нет. В таком случае нужно сначала проверить ПО и драйверы, поставить рабочие с официального сайта. Если проблема так и не ушла, то понадобится схема. Сначала стоит визуально изучить обвязку. Изучите, где стоят усилители, на схеме они часто обозначены «треугольничками», так выглядят операционные усилители. В новых кодеках операционные усилители уже встроены в микросхему.

Принцип замены звуковой карты аналогичен сетевой карте: смотрите распиновку. Если под рукой нет оригинала, а только аналоги, то читайте дальнейшие статьи об аналогах. У звуковой карты тоже большое пузо, так что если она не отпаивается, то повышайте температуру.

На схеме обозначается как: U*, PU*.

транзистор | Определение и использование

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гордон Мур Уильям Б. Шокли Джон Бардин Уолтер Х. Браттейн Джек Килби

Похожие темы:

тиристор биполярный транзистор тонкопленочный транзистор схема с общей базой текущее усиление

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Глубоко встроенные почти во все электронные устройства, транзисторы стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе имеется три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных переключающих устройствах, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.

Первые коммерческие применения транзисторов были для слуховых аппаратов и «карманных» радиоприемников в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных в Великобритании как «клапаны»), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.

Наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти, в том числе твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также микропроцессоры, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.

Викторина «Британника»

Изобретатели и изобретения

Наши первые человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение при вращении? Пусть крутятся колеса в вашей голове, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе, и к концу 19 в.50-х, вытеснил последний во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В 1960-х и 70-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одном «чипе» из полупроводникового материала.

Мотивация и раннее радиолокационное исследование

Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатываемые по всему миру в 1940-х годов и первых электронных цифровых компьютеров, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки РЛС в 1940-х годов, которые открыли двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп просто не хватало, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли кристаллические выпрямители

на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примеси занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.

транзистор | Определение и использование

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гордон Мур Уильям Б. Шокли Джон Бардин Уолтер Х. Браттейн Джек Килби

Похожие темы:

тиристор биполярный транзистор тонкопленочный транзистор схема с общей базой текущее усиление

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Глубоко встроенные почти во все электронные устройства, транзисторы стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе имеется три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных переключающих устройствах, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.

Первые коммерческие применения транзисторов были для слуховых аппаратов и «карманных» радиоприемников в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных в Великобритании как «клапаны»), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.

Наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти, в том числе твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также микропроцессоры, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.

Викторина «Британника»

Компьютеры и операционные системы

Как Интернет перемещает информацию между компьютерами? Какая операционная система сделана Microsoft? Войдите в этот тест и проверьте свои знания о компьютерах и операционных системах.

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе, и к концу 19 в.50-х, вытеснил последний во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В 1960-х и 70-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одном «чипе» из полупроводникового материала.

Мотивация и раннее радиолокационное исследование

Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатываемые по всему миру в 1940-х годов и первых электронных цифровых компьютеров, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки РЛС в 1940-х годов, которые открыли двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп просто не хватало, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли кристаллические выпрямители

на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примеси занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.

транзистор | Определение и использование

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гордон Мур Уильям Б. Шокли Джон Бардин Уолтер Х. Браттейн Джек Килби

Похожие темы:

тиристор биполярный транзистор тонкопленочный транзистор схема с общей базой текущее усиление

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Глубоко встроенные почти во все электронные устройства, транзисторы стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе имеется три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных переключающих устройствах, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.

Первые коммерческие применения транзисторов были для слуховых аппаратов и «карманных» радиоприемников в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных в Великобритании как «клапаны»), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.

Наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти, в том числе твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также микропроцессоры, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.

Викторина «Британника»

Изобретатели и изобретения

Наши первые человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение при вращении? Пусть крутятся колеса в вашей голове, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе, и к концу 19 в.50-х, вытеснил последний во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В 1960-х и 70-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одном «чипе» из полупроводникового материала.

Мотивация и раннее радиолокационное исследование

Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатываемые по всему миру в 1940-х годов и первых электронных цифровых компьютеров, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки РЛС в 1940-х годов, которые открыли двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп просто не хватало, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли кристаллические выпрямители

на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примеси занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.

микропроцессор. Почему больше транзисторов = больше вычислительной мощности?

Первые инструкции не обязательно «выполняются последовательно» даже на ISA без VLIW, выполнение должно только выглядеть последовательным. Суперскалярная реализация по порядку может выполнять более одной инструкции параллельно с другой. Чтобы сделать это эффективно, аппаратное обеспечение для декодирования инструкций должно быть увеличено (расширено), аппаратное обеспечение должно быть добавлено для обеспечения независимости данных инструкций, которые должны выполняться параллельно, ресурсы выполнения должны быть увеличены, а количество портов регистрового файла обычно увеличивается. Все это добавляет транзисторы.

Реализация не по порядку, которая позволяет более поздним инструкциям выполняться перед более ранними, если нет зависимостей данных, использует дополнительное оборудование для обработки планирования инструкций, как только данные становятся доступными, и добавляет регистры переименования и оборудование для отображение, выделение и освобождение их (больше транзисторов), чтобы избежать опасностей записи после чтения и записи после записи. Выполнение вне очереди позволяет процессору избежать остановки.

Изменение порядка загрузки и сохранения в неупорядоченном процессоре требует обеспечения того, чтобы более ранние в программном порядке записи передавали результаты более поздним загрузкам с тем же адресом. Это подразумевает логику сравнения адресов, а также хранение адресов (и размера) хранилищ (и хранение данных) до тех пор, пока хранилище не будет зафиксировано в памяти (кэш). (Для ISA с менее слабой моделью согласованности памяти также необходимо проверить правильность порядка загрузки по отношению к хранилищам от других процессоров — больше транзисторов. )

Конвейерная обработка добавляет некоторые дополнительные затраты на управление и буферизацию и предотвращает повторное использование логики для разных частей обработки инструкций, но позволяет различным частям обработки инструкции перекрываться во времени для разных инструкций.

Конвейерная обработка и суперскалярное выполнение увеличивают влияние угроз управления (т. е. условных переходов и переходов). Конвейерная обработка (а также выполнение вне очереди) может задержать доступность цели даже для безусловных переходов, поэтому добавление оборудования для прогнозирования целей (и направления для условных ветвей) позволяет продолжить выборку инструкций, не дожидаясь выполнения части инструкции. процессор, чтобы сделать необходимые данные доступными. Более точные предикторы, как правило, требуют больше транзисторов.

Для неупорядоченного процессора может быть желательным разрешить выполнение загрузки из памяти до того, как будут вычислены адреса всех предыдущих хранилищ, поэтому требуется некоторое оборудование для обработки таких предположений, возможно включая предсказатель.

Кэши могут уменьшить задержку и увеличить пропускную способность доступа к памяти, но добавьте транзисторы для хранения данных и хранения тегов (и сравнения тегов с запрошенным адресом). Для реализации политики замены также необходимо дополнительное оборудование. Аппаратная предварительная выборка добавит больше транзисторов.

Реализация функциональности аппаратно, а не программно, может повысить производительность (при этом потребуется больше транзисторов). Например, управление TLB, сложные операции, такие как умножение или операции с плавающей запятой, специализированные операции, такие как подсчет ведущих нулей. (Добавление инструкций также увеличивает сложность декодирования инструкций и, как правило, сложность выполнения, например, для управления тем, какие части исполнительного оборудования будут использоваться.)

SIMD/векторные операции увеличивают объем работы, выполняемой на инструкцию, но требуют больше места для хранения данных (более широкие регистры) и обычно используют больше ресурсов для выполнения.

(Умозрительная многопоточность также может позволить нескольким процессорам быстрее выполнять однопоточную программу. Очевидно, что добавление процессоров к микросхеме увеличит количество транзисторов.)

Наличие большего количества доступных транзисторов также может позволить компьютерным архитекторам предоставить ISA с большим количеством видимых регистров. к программному обеспечению, потенциально снижая частоту обращений к памяти, которые, как правило, медленнее, чем доступ к регистрам, и включают некоторую степень косвенности (например, добавление смещения к указателю стека), что увеличивает задержку.

Интеграция, которая увеличивает количество транзисторов на микросхеме, но не в системе, уменьшает задержку связи и увеличивает пропускную способность, что, очевидно, позволяет повысить производительность. (Существует также снижение энергопотребления, что может привести к повышению производительности.)

Даже на уровне выполнения инструкций добавление транзисторов может повысить производительность. Например, сумматор выбора переноса добавляет старшие биты дважды параллельно с различными предположениями о переносе из младших битов, выбирая правильную сумму старших битов, когда доступен перенос из младших битов, что, очевидно, требует больше транзисторов, чем простой сумматор с переносом пульсаций, но уменьшающий задержку при вычислении полной суммы. Точно так же умножитель с одним рядом сумматоров переноса-сохранения использует меньше транзисторов (но работает медленнее), чем умножитель дерева Дадда (или Уоллеса), и не может быть конвейерным (поэтому его необходимо реплицировать, чтобы другое умножение могло начать выполнение, в то время как более раннее выполнялось умножение).

Вышеизложенное может быть исчерпывающим, но не исчерпывающим!

Что такое закон Мура и верен ли он до сих пор?

Что такое закон Мура?

Закон Мура относится к восприятию Гордона Мура , что количество транзисторов на микрочипе удваивается каждые два года, хотя стоимость компьютеров снижается вдвое. Закон Мура гласит, что мы можем ожидать, что скорость и возможности наших компьютеров будут увеличиваться каждые пару лет, и мы будем платить за них меньше. Другой принцип закона Мура утверждает, что этот рост является экспоненциальным.

Key Takeaways

• Закон Мура гласит, что количество транзисторов в микрочипе удваивается примерно каждые два года, хотя стоимость компьютеров уменьшается вдвое.
• В 1965 году Гордон Э. Мур, один из основателей Intel, сделал это наблюдение, которое стало известно как закон Мура.
• Другой принцип закона Мура гласит, что рост числа микропроцессоров экспоненциальный.

Смотреть сейчас: Что такое закон Мура?

Понимание закона Мура

В 1965 году Гордон Э. Мур, соучредитель Intel (INTC), предположил, что количество транзисторов, которые можно разместить на данной единице пространства, будет удваиваться примерно каждые два года.

Гордон Мур не называл свое наблюдение «законом Мура» и не собирался создавать «закон». Мур сделал это заявление, отметив новые тенденции в производстве микросхем в Fairchild Semiconductor. В конце концов, проницательность Мура превратилась в предсказание, которое, в свою очередь, стало золотым правилом, известным как закон Мура.

В течение десятилетий, последовавших за первоначальным наблюдением Гордона Мура, закон Мура руководил полупроводниковой промышленностью при долгосрочном планировании и постановке целей для исследований и разработок (НИОКР). Закон Мура был движущей силой технологических и социальных изменений, производительности и экономического роста, которые являются отличительными чертами конца 20-го и начала 21-го веков.

Закон Мура подразумевает, что компьютеры, машины, работающие на компьютерах, и вычислительная мощность со временем становятся меньше, быстрее и дешевле, поскольку транзисторы на интегральных схемах становятся более эффективными.

Почти 60 лет; Все еще сильный

Спустя более 50 лет мы во многих отношениях ощущаем непреходящее влияние и преимущества закона Мура.

Вычислительная техника

По мере того, как транзисторы в интегральных схемах становятся более эффективными, компьютеры становятся меньше и быстрее. Чипы и транзисторы — это микроскопические структуры, содержащие молекулы углерода и кремния, которые идеально выровнены для более быстрого перемещения электричества по цепи. Чем быстрее микрочип обрабатывает электрические сигналы, тем эффективнее становится компьютер. Стоимость более мощных компьютеров ежегодно снижается, отчасти из-за более низкой стоимости рабочей силы и снижения цен на полупроводники.

Электроника

Практически каждый аспект высокотехнологичного общества извлекает выгоду из закона Мура в действии. Мобильные устройства, такие как смартфоны и компьютерные планшеты, не будут работать без крошечных процессоров; как и видеоигры, электронные таблицы, точные прогнозы погоды и системы глобального позиционирования (GPS).

Пособие для всех секторов

Более того, более компактные и более быстрые компьютеры улучшают транспорт, здравоохранение, образование и производство энергии — и это лишь некоторые из отраслей, которые развивались благодаря возросшей мощности компьютерных чипов.

Неизбежный конец закона Мура

Эксперты сходятся во мнении, что компьютеры должны достичь физических пределов закона Мура в какой-то момент в 2020-х годах. Высокие температуры транзисторов в конечном итоге сделают невозможным создание схем меньшего размера. Это связано с тем, что для охлаждения транзисторов требуется больше энергии, чем количество энергии, которое уже проходит через транзисторы. В интервью 2005 года сам Мур признал , что «… тот факт, что материалы состоят из атомов, является фундаментальным ограничением, и это не так уж далеко… Мы наталкиваемся на некоторые довольно фундаментальные ограничения, поэтому в один из дней мы нам придется перестать делать вещи меньше».

Создать невозможное?

Тот факт, что закон Мура, возможно, приближается к своей естественной смерти, возможно, наиболее болезненно проявляется у самих производителей чипов; поскольку эти компании обременены задачей создания все более мощных чипов вопреки реальным физическим трудностям. Даже Intel конкурирует сама с собой и со своей отраслью, чтобы создать то, что в конечном итоге может оказаться невозможным.

В 2012 году Intel со своим 22-нанометровым процессором смогла похвастаться самыми маленькими и самыми передовыми транзисторами в мире в серийном продукте. В 2014 году Intel выпустила еще более компактный и мощный 14-нм чип; и сегодня компания изо всех сил пытается вывести на рынок свой 7-нм чип.

Для сравнения, один нанометр равен одной миллиардной части метра, что меньше длины волны видимого света. Диаметр атома колеблется примерно от 0,1 до 0,5 нанометров.

Особые указания

Видение бесконечно расширенного и взаимосвязанного будущего несет в себе как проблемы, так и преимущества. Уменьшающиеся транзисторы уже более полувека способствуют прогрессу в вычислительной технике, но вскоре инженеры и ученые должны будут найти другие способы сделать компьютеры более функциональными. Вместо физических процессов приложения и программное обеспечение могут помочь повысить скорость и эффективность компьютеров. Облачные вычисления, беспроводная связь, Интернет вещей (IoT) и квантовая физика — все это может сыграть свою роль в будущем инноваций в области компьютерных технологий.

Несмотря на растущую озабоченность по поводу конфиденциальности и безопасности, преимущества постоянно совершенствующихся вычислительных технологий могут помочь нам сохранить здоровье, безопасность и продуктивность в долгосрочной перспективе.

Что такое закон Мура?

В 1965 году Гордон Мур предположил, что примерно каждые два года количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться. Это явление, обычно называемое законом Мура, предполагает, что вычислительный прогресс со временем станет значительно быстрее, меньше и эффективнее. Широко известный как одна из отличительных теорий 21-го века, закон Мура имеет важные последствия для будущего технического прогресса — наряду с его возможными ограничениями.

Как закон Мура повлиял на вычислительную технику?

Закон Мура оказал непосредственное влияние на развитие вычислительной мощности. В частности, это означает, что транзисторы в интегральных схемах стали быстрее. Транзисторы проводят электричество, содержащее молекулы углерода и кремния, которые ускоряют передачу электричества по цепи. Чем быстрее интегральная схема проводит электричество, тем быстрее работает компьютер.

Закон Мура подходит к концу?

По мнению экспертов, закон Мура перестанет действовать где-то в 2020-х годах. Это означает, что компьютеры, по прогнозам, достигнут своих пределов, потому что транзисторы не смогут работать в меньших схемах при все более высоких температурах. Это связано с тем, что для охлаждения транзисторов потребуется больше энергии, чем энергия, проходящая через сам транзистор.

Как втиснуть миллиарды транзисторов в компьютерный чип

Закон Мура живет

На протяжении десятилетий количество крошечных транзисторов, установленных на микросхемах интегральных схем, удваивалось каждые два года. Это явление, которое стало известно как закон Мура, означало более быстрые и мощные компьютеры. Но в последние годы прогресс замедлился, а некоторые говорят, остановился по законам физики. Критики говорят, что увеличение количества схем на кремниевых чипах достигло своего предела, и вычисления остановятся на нынешнем уровне, пока не будет найден альтернативный подход.

Мукеш Кхаре не согласен. Кхаре, отвечающий за все исследования в области полупроводников в IBM, считает, что проблемы физики можно преодолеть. Он видит многообещающее будущее в добавлении большего количества транзисторов, мельчайших вычислительных машин.

Стоит ли нам беспокоиться? Абсолютно, говорит Кхаре. По мере того, как электронные устройства становятся все меньше и все более распространенными, «размещение большего количества транзисторов на микросхеме — это способ, которым мы можем продолжать приносить больше ценности, больше функциональности, меньше затрат и меньшего энергопотребления», — объясняет он. И они также имеют решающее значение для больших компьютерных систем. «С системной точки зрения мы продолжаем помещать в чип все больше и больше транзисторов, чтобы иметь все более и более сложные функции, интегрировать их для повышения производительности наших систем и снижения энергопотребления».

Насколько малы 7 нм?

Новые материалы, конструкции и инновации

А как насчет законов физики? Что ж, на пути к все меньшим чипам простое уменьшение размера транзисторов не является решением. По мере того, как они становятся меньше, их становится намного труднее отпечатывать на чипах. И сам их масштаб и близость могут влиять на электрические свойства. Например, между ними легче «просачиваться» сигналы.

«Теперь речь идет о новых материалах, новых структурах, новых инновациях, — говорит Кхаре. «Речь идет об инновациях, а не о масштабировании. На физическом уровне мы по-прежнему хотим сделать вещи меньше, но то, как мы это делаем, требует совсем других концепций и идей на более фундаментальном уровне и уровне материалов… Раньше это было больше [о] геометрии».

При таком подходе команда Кхаре в партнерстве с GLOBALFOUNDRIES и Samsung в Колледже нанотехнологий Политехнического института SUNY (SUNY Poly CNSE) добилась этого. В июле 2015 года они представили первые в полупроводниковой промышленности тестовые чипы с нормой 7 нм (нанометры) с функционирующими транзисторами. Этот прорыв может привести к размещению более 20 миллиардов транзисторов на чипе размером с ноготь. Это примерно в 10 раз больше, чем в современных чипах.

Если рассматривать это глубже, учтите, что в большинстве используемых сегодня чипов используется технология 22 нм или 14 нм. Таким образом, новые транзисторы как минимум вдвое меньше нынешних. И мы говорим о действительно маленьком — в 100 000 раз меньше, чем ширина человеческого волоса, и примерно в два с половиной раза больше окружности нити вашей ДНК.

 

В конце концов, важна скорость, с которой работают эти структуры.

Да он маленький. Но работает ли это?

Выход за пределы лабораторного прорыва в области 7 нм не обошлось без проблем, признает Харе. «Один из фронтов — это возможность построить эти структуры, выгравировать их и сделать физически жизнеспособными», — говорит он. «Другая часть — это электрический аспект. Могут ли работать эти транзисторы? Они должны иметь возможность включаться и выключаться и иметь надлежащую производительность транзистора. В конце концов, важна скорость, с которой они работают. Можем ли мы увеличить их скорость не только за счет физической геометрии, что важно, но и за счет изменения материалов, которые мы используем, или за счет изменения химии, которую мы используем для покрытия и травления этих пленок?»

Чтобы ответить на эти вопросы, исследовательская группа разработала несколько новых процессов и методов. В производстве транзисторы «печатаются» на кремниевой пластине с помощью сложного процесса, называемого литографией. Для производства 7-нм чипа команда использовала новый тип литографии в производственном процессе, Extreme Ultraviolet или EUV, который обеспечивает огромные улучшения по сравнению с сегодняшней основной оптической литографией. И заменили стандартный кремний на кремний-германий в каналах на микросхемах, проводящих электричество.

 

Все дело в внедрении новых материалов, новых структур, новых инноваций.

Обучение через изготовление

Кхаре во многом обязан уникальному партнерству и возможностям CNSE. Он называет это «сбывшейся мечтой». Исследовательский центр в Олбани, штат Нью-Йорк, имеет не только круглосуточную лабораторию, но и, благодаря партнерам по инструментам, возможности полноценной «фабрики», исследовательского центра с производственными возможностями. Это важно, потому что новые чипы должны быть не только небольшими и эффективными, но и экономически выгодными. Если их производство стоит слишком дорого, они не будут успешными.

«Мы можем масштабировать до реальных инструментов, поэтому мы можем быть уверены, что у нас есть нужные свойства, которые будут правильно масштабироваться», — говорит Кхаре. «Мы можем продемонстрировать возможности и структуру на реалистичных потрясающих инструментах». Конечно, это значительно увеличивает уверенность в том, что чипы могут производиться достаточно экономично, чтобы быть коммерчески успешными.

Но сотрудничество распространяется не только на инструменты, но и на все области передовых логических технологий. «Исследования IBM возглавляют эти усилия, и мы работаем рука об руку с другими нашими партнерами, в частности с GLOBALFOUNDARIES и Samsung. Это то, что человек не может сделать в одиночку. Мы должны сделать это вместе».

Следующий шаг: исследование 5-нм чипов

Работа далека от завершения, говорит Кхаре, признавая: «Семь нанометров все еще имеют серьезные проблемы. Но ведутся исследования, чтобы сделать еще меньшие чипы. На самом деле у нас много работы за пределами 7 нм. Этот поезд продолжает идти».

«В прошлом было много предсказаний конца полупроводниковой технологии, — продолжает он. «Но с объемом инвестиций и количеством инженеров, работающих над этой технологией, всегда есть выход; всегда есть путь, который могут найти все эти блестящие умы и миллиарды долларов инвестиций. Мы уже работаем над технологией 5 нм.