Первичные и вторичные источники питания
Для питания современных ЭВМ в большинстве случаев применяются источники первичного и вторичного электропитания. Как правило, средства вторичного электропитания подключаются к источникам первичного электропитания, преобразуют их переменное или постоянное напряжение в ряд выходных напряжений различных номиналов как постоянного, так и переменного тока.
Источники первичного электропитания предназначены для компенсации потерь энергии в преобразователях информации, в стабилизаторах и других функциональных узлах, обеспечения их устойчивой работы и доведения электрических характеристик сигналов до заданных значений. В качестве источников первичного электропитания для ЭВМ применяются сети переменного тока на 110/220В, химические источники тока (автономные одноразовые гальванические элементы, батареи и аккумуляторы, преобразователи внутренней химической энергии вещества в электрическую), термо- и фотоэлектрические преобразователи энергии, а также акустические, тепловые, биологические, атомные и другие типы преобразователей. В настоящее время промышленностью выпускается большое количество различных типов первичных источников питания.
Источник вторичного питания (ИВП) – средство вторичного питания ЭВМ, обеспечивающее нужным уровнем и характером питающего напряжения самостоятельные функциональные узлы или отдельные цепи комплекса ЭВМ.
Система электропитания, как источник помех при эксплуатации ЭВМ
Одной из особенностей современных ЭВМ является применение в качестве элементной базы микросхем с все меньшим электрическим порогом переключения. Например, если вход элементов 131 серии потребляет до 4 мА в состоянии логического нуля источника сигнала, вход элементов 155 серии – 1,6 мА, то элементы ТТЛШ потребляют по входу в состоянии логического нуля 0,16 мА. Эквивалентная схема входов КМОП элементов представляет собой емкость 10-100 пф и активное сопротивление .
Все элементы ОЗУ, особенно динамического типа, имеют логический перепад порядка 0,60,8 В. В настоящее время этот порог на 6-8 порядков меньше энергии нежелательных электрических воздействий (помех) из сети питания и окружающего пространства. Данные обстоятельства потенциально обуславливают заметную восприимчивость ЭВМ к внешним помехам. Поэтому надежность и безотказность функционирования ЭВМ зависят не только от логической структуры и надежности элементной базы, но и от невосприимчивости ЭВМ к внешним помехам.
Следует также учитывать, что наряду с внешними помехами, сама ЭВМ является источником помех (напр., тактовые генераторы – ДВ 150-300 кГц, СВ 500-1500 кГц, КВ 4-12 МГц). Т.е. спектр излучения цифровых схем совпадает с радиочастотами. Поэтому проблема повышения помехозащищенности с одной стороны и снижения уровня помех во внешней среде – с другой, является весьма острой.
Как правило, обеспечение совместимости ЭВМ с внешней средой по какому-либо конкретному виду воздействий регламентируется Техническими требованиями, которые вносятся в ТЗ на разработку изделия. Затем, после проектирования и испытаний эти требования вносятся в ТУ на изготовление. Эксплуатационные службы должны заботиться, чтобы условия эксплуатации ЭВМ не выходили за пределы, указанные в ТУ.
Электромагнитная совместимость – это способность ЭВМ не воспринимать воздействие на нее допустимых внешних помех и не создавать внешние помехи другим ЭВМ, а также не создавать внешние радиопомехи. Отсутствие электромагнитной совместимости приводит к значительному экономическому ущербу, состоящему из расходов на восстановление вышедшей из строя аппаратуры, перезапуск программ, ликвидацию последствий сбоев при передаче данных.
ЭВМ, как и всякую информационную систему, взаимодействующую с окружающей средой определенным образом, можно представить в виде «черного ящика» (рис.19.1).
Рис.19.1 Взаимодействие ЭВМ с внешней средой
Прием таким «черным ящиком» помех или их излучение могут происходить кондуктивным способом (по проводам), или пространственным (электрическим, магнитным или электромагнитным полями). В этом случае восприимчивость к помехам можно разделить соответственно на кондуктивную и пространственную. Аналогично излучение может быть кондуктивным или пространственным.
Электромагнитная помеха это электромагнитные, магнитные или электрические явления, которые влияют на полезный сигнал или могут создать влияние. Помехи можно классифицировать по различным признакам. В дальнейшем будут рассматриваться лишь помехи, возникающие по цепям питания и помехи, обусловленные внешними воздействиями.
Помехи по сети питания переменного тока разделяются на импульсные и длительные. В свою очередь длительные делятся на провалы, перенапряжения и искажения формы сигнала питающего напряжения (отклонения от синусоиды).
Провал напряжения – помеха, при которой значение амплитуды переменного напряжения меньше допустимого значения.
Перенапряжение – это помеха, при которой значение амплитуды переменного напряжения больше допустимого значения.
Кратковременные импульсные помехи по виду можно разделить на несимметричные или дифференциальные (между фазовыми проводами) и симметричные или синфазные (между фазами питания и «землей»).
Под помехами из внешней линии связи подразумеваются помехи, попадающие в аппаратуру по линии связи с устройствами, не являющимися частями объекта.
По результатам воздействия на полезный сигнал различаются помехи аддитивные и мультипликативные. По времени появления различают случайные и регулярные помехи.
Инженерная практика выявила ряд внешних помех из сети питания, наиболее часто приводящих к отказам (в порядке убывания степени влияния):
– импульсные кратковременные (1 мкс);
– длительные (10 мс или более полупериода питающего напряжения);
– неэквипотенциальность точек заземления;
– разряды электростатических зарядов;
– наводки от импульсных электрических и магнитных полей (тиристоры, сварочные трансформаторы);
наводки от напряжения промышленной частоты;
наводки от высокочастотных излучений.
Кратковременные симметричные импульсные помехи. Источником является включение/выключение активных нагрузок, наличие нагрузок, возвращающих в сеть энергию, грозовые разряды и т.п. Амплитуда импульсной помехи зависит от фазы включения/выключения, параметров включаемого аппарата. Длительность зависит от дребезга контактов, волновых свойств линий.
Если коммутируемая цепь содержит индуктивность, то возможна противо-ЭДС до 1,5 кВ (например, при наличии металлорежущих станков, соленоидов и т.п.).
Кратковременные несимметричные импульсные помехи из цепи питания не оказывают заметного влияния на логические элементы схемы ЭВМ, так как они сильно ослабляются силовыми трансформаторами, фильтрами и стабилизаторами вторичных источников питания. Однако такие помехи с очень большой амплитудой способны привести к пробою изоляции трансформаторов и конденсаторов. Для борьбы с ними служат сетевые фильтры и разрядники.
Длительные помехи. Длительные помехи по сети питания показаны на рисунке 19.2.
Рис.19.2. Виды длительных помех сети питания
Наводки от высокочастотных излучений возможны в тех случаях, когда линию питания используют для передачи телеграфного и телефонного сигналов, при работе линии вблизи ретрансляторов, передающих антенн радиостанций и т.п. Эти же помехи также воздействуют на линии связи.
Кратковременные импульсные помехи
Распространение помех может происходить по электрическим проводникам внутри схемы, на входные и выходные шины ИВП, а также через электромагнитные связи, возникающие между находящимися на некотором расстоянии друг от друга проводниками или элементами схемы. Полный и подробный анализ связей цепей с учетом взаимозависимости электрического и магнитного полей чрезвычайно сложен и результаты его зачастую бывают недостоверны. Поэтому обычно при анализе процессов паразитные связи через ближнее электрическое поле рассматриваются как емкостные, без учета появляющегося при этом магнитного поля.
Механизм воздействия импульсных симметричных помех на аппаратуру может быть представлен следующим образом: провода питания, проходящие внутри аппаратуры, связаны со всеми элементами через паразитными емкости (рис.19.3).
Рис.19.3. Эквивалентная схема воздействия импульсных помех сети на информационные элементы:
Uс, Rвых - источник сигнала;
Rвх - приемник сигнала;
Rс, Lc - эквивалентное сопротивление и индуктивность прямого провода;
R0, L0 - эквивалентное сопротивление и индуктивность обратного провода;
Rз, Lз - индуктивность и сопротивление линии заземления;
С – паразитные емкости.
Схема представляет собой сложный мост, когда мост уравновешен или симметричен, на входе элемента нет падения напряжения от источника помех. В неуравновешенной и несимметричной схеме на входе элементов приемника появляется падение напряжение  от источника помехи  , искажающие полезный сигнал. Примем следующие допущения:
полное сопротивление всех проводов существенно меньше сопротивления паразитных емкостей;
выходное сопротивление элемента передатчика мало, а входное сопротивление элемента приемника велико;
мост является существенно асимметричным. В этом случае эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис.19.4.
Рис.19.4. Расчётная схем воздействия помех
С – обобщенная паразитная емкость;
индуктивность информационной линии связи;
-суммарная индуктивность заземления, корпуса и источника помех;
Rвн- внутреннее сопротивление источника помехи;
Rз- - сопротивление заземления.
Примем
  ,
тогда
 .
Тогда передаточная функция цепи будет связывать напряжения следующим образом:
Для случая когда:
1) 
(индуктивности малы, паразитные емкости велики)
 :
Вид напряжения помехи показан на рис.19.5.
Рис.19.5.Вид напряжения помехи при большом R
2)
(другой предельный случай апериодического процесса)
Рис.19.6.Вид напряжения помехи при среднем R
3) (индуктивности велики, емкости малы) имеет место колебательный процесс
Рис.19.7.Вид напряжения помехи при малом R
 ,
Для снижения восприимчивости цепей к помехам целесообразно уменьшить индуктивности линий связи Ln и величину индуктивности цепи вторичного электропитания, снижение значений паразитных емкостей.
Уменьшение индуктивности Ln достигается путем уменьшения площади контура, образованного прямым и обратным проводом связи. Уменьшение индуктивности земляного провода цепей вторичного электропитания достигается путем увеличения сечения проводов, использование проводящих поверхностей, особенно в случае передачи нулевого потенциала.
Уменьшение паразитных емкостей между проводами первичного питания и аппаратуры ЭВМ также способствует увеличению помехозащищенности. Эту емкость можно представить суммой: емкость между вводом и выводом вторичных источников питания и распределенная емкость проводов сети питания по отношению к аппаратуре ЭВМ.
Для уменьшения распределенных емкостей проводов сети питания следует экранировать участки проводов, которые проходят внутри корпусов ЭВМ, а также улучшать экранизированные свойства самих корпусов (экранировка трансформаторов, прокладка провода в заземленном желобе и т.п.).
Если посмотреть на исходную схему замещения воздействия помехи, то можно подумать, что удаление цепи заземления приведет к исчезновению помехи. Реально емкостная связь между сетью и информационной линией через емкости С5 и С10 остается, поэтому цепь заземления должна быть качественной.
Сетевые фильтры
Эффективным методом борьбы с помехами является применение сетевого фильтра. Сетевой фильтр, включенный в первичные цепи, изменяет сопротивление источника помехи.
. Действие фильтра сводится к увеличению реактивного сопротивления источника помех. Эквивалентная схема действия фильтра показана на рис.19.8.
Рис.19.8. Схема для расчёта действия сетевого фильтра
Простейший фильтр может содержать только индуктивность или одну емкость (см. рис.19.9). На высокой частоте конденсатор обеспечивает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника помехи.
Рис.19.9. Простейшие фильтры
В этом случае сопротивление фильтра для высокочастотного сигнала будет определяться как
или
Конденсатор на высокой частоте шунтирует источник помехи, вызывая падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Фильтр с емкостью имеет достаточно высокую эффективность при малом сопротивлении заземляющего провода и большом сопротивлении источника помех. Если сопротивление источника помех мало, то применяется комбинация индуктивности и емкости (рис.19.10).
Рис.19.10. Комбинированный фильтр
На выходе индуктивности можно применять дополнительное шунтирование. Опасность применения дополнительного шунтирования в том, что при некачественном заземлении может быть шунтирована и индуктивность. Фильтры должны иметь хорошее соединение с проводом «земля» и высокочастотную емкость. Для исключения уменьшения индуктивности дросселя за счет насыщения сердечника, а также для уменьшения влияния самой ЭВМ на сеть питания, в сетевых фильтрах применяются режекторные дроссели со встречным включением обмоток.
Пример реализации сетевого фильтра представлен на рис.19.11, где  ,  ,  ,  .
Рис.19.11. Пример реализации сетевого фильтра
Данный фильтр обеспечивает ослабление помех в диапазоне 100кГц - 100МГц до 40дб.
Внешние (т.е. выходящие за пределы корпуса ЭВМ) сигнальные линии можно разделить на гальванически развязанные (с помощью оптронов или трансформаторов) и имеющие гальваническую связь. Механизмы воздействия на цепи с гальванической развязкой аналогичны ранее рассмотренным для цепей питания.
Лекция 20
Помехозащищенность систем электропитания ЭВМ
План лекции:
Основные характеристики и параметры ИВП
Классификация систем электропитания ЭВМ
Трансформаторные и бестрансформаторные схемы ИВП
Влияние длительных помех по сети питания
Основные характеристики и параметры вторичных источников питания (ВИП)
Основные электрические параметры:
|
