Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

В стандарте АТХ все необходимые для работы напряжения питания подаются через один 20-контактный двухрядный разъем, который нельзя вставить по-другому (рис. 6.10). Кроме напряжений, которые имеются у блоков питания AT, в стандарте АТХ добавлена силовая линия с напряжением 3,3 В. От этой шины питается наиболее мощный потребитель энергии в компьютере – процессор, потребляющий ток до 20–30 А. Этот же уровень напряжения требуется современным микросхемам памяти и чипсетам. Возможные изменения значения выходных напряжений блока питания приведены в табл. 6.2.

Рис. 6.10. Разъем питания системной платы форм-фактора АТХ

Примечание

Существует несколько модификаций блоков питания АТХ, учитывающих особенности ряда процессоров и системных плат. Например, выпускаются блоки питания с повышенной мощностью для работы с некоторыми процессорами Pentium 4 и Athlon.

Таблица 6.2. Выходные напряжения блока питания АТХ

Появление напряжения +3,3 В обусловлено тем, что для работы современных высокочастотных процессоров требуется напряжение питания не 5 В, а значительно меньшее (вплоть до 1В), которое при использовании блока питания типа AT вырабатывается на самой материнской плате с помошью дополнительных импульсных преобразователей. Следует заметить, что центральный процессор для своей нормальной работы требует нескольких уровней напряжения питания из ряда от +1 до +3,9 В, которые преобразовываются из +3,3 или +5 В, причем в самых современных компьютерах пользователь может даже сам регулировать уровень питания в пределах полувольта, используя BIOS или сервисные программы. Соответственно, в любом случае применяется двухступенчатое преобразование напряжения, а раз так, то выгоднее получать напряжение, например, +1,5 В от источника +3,3 В, чем от +5 В – так меньше потерь на вредное нагревание окружающего воздуха.

Для повышения "интеллектуальности" блока питания в стандарте АТХ предусмотрен ряд шин для автоматического включения и выключения компьютера. Линия +5VSB предназначена для питания цепей компьютера в дежурном режиме, чтобы можно было "разбудить" компьютер, используя, например, сигнал, поступивший через сетевую карту из локальной сети.

Сигнал PW-OK аналогичен сигналу PG у блока питания AT и появляется после достижения всеми силовыми вторичными напряжениями номинального уровня.

Для включения и выключения блока питания используется линия PS-ON. Этой линией управляет кнопка включения питания (Сеть) на лицевой панели компьютера и чипсет системной платы. То есть кнопка питания не коммутирует цепь 220 В. Для полного выключения компьютера и отключения блока питания от сети используется установленный на нем выключатель (рис. 6.11) или, как часто делают, выключатель на электрическом удлинителе или сетевом фильтре.

Рис. 6.11. Блок питания АТХ, установленный в корпусе

Габаритные размеры стандартного блока питания 100x50x150 мм, но для улучшения условий охлаждения процессора выпускаются блоки питания с уменьшенной глубиной, например 125 или даже 100 мм. В последнем случае на радиатор процессора можно устанавливать более производительные вентиляторы.

Как и для блока питания AT, в стандарте АТХ оговариваются временные параметры (рис. 6.12) появления и выключения вторичных напряжений +5, +3,3 и +12 В. При нарушении временных соотношений возникает аварийная ситуация, которая может привести к выходу из строя процессора, микросхем памяти и чипсета.

Рис. 6.12. Временные диаграммы включения блока питания АТХ

В ряде случаев блоки питания АТХ снабжаются дополнительным 6-контактным разъемом для питания интерфейса FireWare (IEEE 1394) и цепями регулирования скорости вентилятора блока питания, а также цепью обратной связи для регулирования напряжения по шине 3,3 В. Разводка этого разъема приведена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Дополнительный разъем блока питания

Подключение внешних устройств с помощью 4-контактных разъемов в блоке питания АТХ организовано аналогично стандарту AT.

При сборке компьютера, особенно, если это делается в первый раз, надо уделить максимум внимания тому, как подключаются разъемы питания к системной плате и внешним устройствам (обычно, это различного рода дисководы). Тут следует заметить, что все разъемы питания, несмотря на ключи на их корпусах, могут быть ошибочно установлены наоборот, если приложить к ним чуть большее физическое усилие, что вполне возможно, когда приходится вслепую подключать устройства внутри корпуса.

При самостоятельной сборке компьютера возможна ошибка и в правильном понимании назначения цепей. Многие производители не маркируют разъемы или используют такие обозначения, которые трудно понять или заметить, поэтому собрать разъем питания можно в зеркальном отражении, перепутав первый и последний контакт. Для системной платы и многих внешних устройств такой вариант сборки будет "смертельным". Для дисководов гибких дисков возможен вариант, когда перегорают только второстепенные цепи.

Обратите внимание, что 4-контактные разъемы питания внешних устройств на первый взгляд симметричны (для обоих вариантов исполнения). Разница только в уровнях напряжения на краевых контактах +5 и +12 В. При этом, самое любопытное, что многие дисководы гибких дисков могут достаточно уверенно работать при перепутанном питании. Например, дисководы 3-дюймовых гибких дисков, которые используют два напряжения питания, при ошибочном подключении только лишь громче работают (если при запуске компьютера дисковод А: весьма громко срабатывает на тестовые программы BIOS, есть смысл, используя тестер, проверить правильность его подключения), правда, при этом не всегда верно выполняются все функции, особенно форматирования. А вот для дисководов с одним напряжением питания подача +12 В вместо +5 В приведет к "дымовым эффектам"  – сгорают микросхемы или двигатели (все зависит от особенностей конструкции).

Самый надежный способ проверки правильности разводки напряжений питания по цепям (см. табл. 6.2) да и работы самого источника питания – это включить его с искусственной нагрузкой или подключить к старой ненужной системной плате и проверить тестером уровни напряжения.

Примечание

Блок питания – один из немногих узлов современного персонального компьютера, который подлежит ремонту не только в сервисных центрах производителя. Наиболее часто выходят из строя диодный мостик, который выпрямляет напряжение 220 В, и электролитические конденсаторы во вторичных цепях. Кроме того, после нескольких лет эксплуатации (иногда и через полгода) заклинивает вентилятор охлаждения. При его замене следует учитывать, что в нем могут применять электродвигатели, подключаемые либо к цепи 220 В переменного тока, либо к цепи +12 В.

Помехи по цепям питания

Компьютер является высокочастотным электронным устройством, которое весьма подвержено различным помехам по цепям питания, а также само создает значительные электрические наводки. Для устранения большинства помех в цепи питания (чаще всего это импульсные помехи и радиочастотные наводки) в блоке питания применяются специальные фильтрующие устройства, в первую очередь, разнообразные электрические дроссели и керамические конденсаторы, а также используется особая схемотехника импульсного блока питания.

К сожалению, из электрической сети общего пользования регулярно поступают импульсные помехи, которые, несмотря на совершенство современных блоков питания, не могут сгладиться фильтрами в блоке питания, так, амплитуда помехи может достигать нескольких тысяч вольт, а длительность – нескольких миллисекунд. Помехи с такими параметрами являются одной из причин сбоя запущенных программ и выхода из строя различных узлов компьютера. Для защиты от подобных помех используют внешние фильтры, которые, чаще всего, выполняются в виде электрического удлинителя. Иногда в такой фильтр добавляют плавкий предохранитель, а также варисторные ограничители импульсных помех, которые обрезают помехи до безопасного уровня (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Ограничение импульсных сетевых помех: а – форма напряжения, поступающая из сети; б – после блока ограничения импульсных помех

Довольно популярными в России устройствами, содержащими блок защиты от перенапряжений и фильтр, являются изделия, выпускаемые под маркой Pilot. На рис. 6.15 показан один из вариантов устройства подавления сетевых импульсных помех (УПСИП), предназначенный для персональных компьютеров. Ниже приведены его примерные технические характеристики:

• суммарная мощность нагрузки – 2,2 кВт;

• номинальный ток нагрузки – 10 А;

• ток помехи, выдерживаемый ограничителем,  – не менее 2,5 кА;

• максимальная поглощаемая энергия – 150 Дж;

• уровень ограничения напряжения при токе помехи 100 А – 700 В.

Рис. 6.15. Удлинитель, фильтр и блок защиты от перенапряжения Pilot

Источники резервного питания

Почти каждый пользователь персонального компьютера сталкивался с ситуацией, когда уже готовый текст или рисунок, над которыми он долго работал, терялись при пропадании напряжения питания 220 В, когда, например, сосед выключил рубильник на лестнице или сгорели электрические пробки. К такому же результату приводит и кратковременное исчезновение питания, т. е. электролампочка в комнате только слегка мигнет, но операционная система почти обязательно зависнет или начнет перегружаться.

Для того чтобы успеть сохранить данные, которые вводятся в компьютер, да и обезопасить персональный компьютер и операционную систему от аварийных ситуаций, используют источник бесперебойного питания, ИБС (Uninterruptible Power Supply, UPS), одна из моделей которого представлена на рис. 6.16. Но следует сразу заметить, ИБП обеспечивает нормальную работу компьютера и монитора только при кратковременном пропадании напряжения питания, т. к. электроэнергии, запасенной в аккумуляторах, которые в нем установлены, хватает на 5–8 минут функционирования. Если сетевое напряжение выключено надолго, то пользователь должен немедленно сохранить все уникальные данные и запустить процедуру прекращения работы операционной системы.

Рис. 6.16. Резервный источник питания Back-UPS AVR 500 корпорации АРС

Промышленностью выпускаются самые разнообразные источники резервного питания, различающиеся как конструкцией, так и принципами действия. Внешне они почти всегда выполняются в виде отдельного прямоугольного блока, весьма тяжелого из-за аккумуляторной батареи, на корпусе которого имеются несколько розеток для подключения компьютера, монитора и других устройств, требующих бесперебойного питания.

Основной принцип работы ИБП заключается в том, что компьютер получает питание от аккумуляторов, когда возникает аварийная ситуация, а в остальное время электроэнергия поступает от сети переменного тока. При работе от аккумуляторов напряжение 12 В преобразуется в переменное напряжение 220 В, которое может быть в простейшем случае прямоугольной формы или ступенчатой, близкой к синусоидальной.

Когда не используется энергия аккумулятора, питание на компьютер поступает из сети переменного тока. В большинстве случаев для переключения между сетью и преобразователем (инвертором) применяется быстродействующий переключатель, который переключает источники быстрее, чем могут разрядиться электролитические конденсаторы в блоке питания компьютера. В наиболее сложных ИБП внутренний преобразователь используется постоянно, что позволяет ИБП выполнять функции стабилизатора переменного напряжения.

Наиболее дешевый вариант ИБП основан на архитектуре off-line (иногда используют название Back-UPS), показанной на рис. 6.17. В этом случае в ИБС имеются следующие узлы – сетевой фильтр, зарядное устройство, инвертор и коммутатор, выполненные по самым простым схемам. Компьютер питается от сети переменного тока через сетевой фильтр. Аккумулятор, находящийся внутри ИБС, постоянно подзаряжается от зарядного устройства. При работе от аккумуляторов включается преобразователь напряжения. Время переключения между режимами примерно 4–5 мс. Наибольший недостаток подобных устройств – компьютер питается непосредственно от сети переменного тока и подвержен перепадам напряжения, которые всегда имеют место в реальных условиях, что иногда вызывает ложное переключение ИБС в режим генерации.

Рис. 6.17. Блок-схема ИБП типа off-line

Чтобы ввести функцию стабилизации напряжения в линейно-интерактивных ИБП, используют трансформатор или автотрансформатор с переключающимися отводами (рис. 6.18). Входное сетевое напряжение регулируется ступенями, а время переключения не превышает 4–5 мс.

Рис. 6.18. Блок-схема линейно-интерактивного ИБП

Наиболее сложные ИБС выполняются по схеме с двойным преобразованием напряжения (рис. 6.19), иногда применяют термин on-line. При такой схемотехнике компьютер постоянно питается от вторичного преобразователя напряжения, который получает энергию либо от аккумулятора, либо от первичного преобразователя, питаемого от сети. Подобные ИБС обеспечивают наиболее стабильное напряжение питания компьютера, но, в то же время, они наиболее дорогие. Также в них предусмотрена возможность переключения на питание компьютера непосредственно от сети и предусмотрена возможность для «горячей» замены аккумулятора.

Рис. 6.19. Блок-схема ИБП с двойным преобразованием (on-line)

В настоящее время почти во все модели ИБП вводятся схемы управления его режимом, а также датчики контроля напряжения. Для подключения к компьютеру применяется интерфейс RS-232 или USB, и для таких ИБП используют термин Smart-UPS. В наиболее интеллектуальных ИБП имеется функция управления через локальную сеть.

При покупке ИБП следует помнить, что его мощность не безгранична, поэтому следует выбирать ту модель, мощности которой хватит для питания вашего компьютера, монитора и тех устройств, которым "вредно" отключение питания. Например, принтер редко подключают к выходной цепи ИБП, поэтому для принтера используются розетки, хоть и установленные на ИБП, но на которые непосредственно подводится входное напряжение сети. Для ориентировочного расчета мощности ИБП можно воспользоваться цифрами из табл. 6.3, но в магазине обязательно следует проконсультироваться с продавцом.

При использовании источников бесперебойного питания надо помнить, что в них пименяются различные типы аккумуляторов, за которыми надо ухаживать. Например, для свинцово-кислотных аккумуляторов опасен глубокий разряд, а никель-кадмиевые имеют эффект памяти.

Таблица 6.3. Ориентировочная мощность, потребляемая различными устройствами

Охлаждение

Совсем недавно, еще в эпоху процессоров 486, единственный вентилятор (Cooler) в персональном компьютере находился в блоке питания. Причем, за его исправностью практически можно было не следить – лишь бы как-то крутился. Теперь количество самых разнообразных радиаторов и вентиляторов в персональном компьютере достигает десятка штук! А стоимость радиатора с кулером для процессора Pentium 4 и Athlon сравнима со стоимостью дисководов гибких дисков.

В блоках питания могут применяться два типа вентиляторов – с двигателями переменного тока, работающими от сети 220 В, и постоянного тока, питающимися от цепи +12 В. На рис. 6.20 показан общий вид вентилятора для блоков питания, двигатель которого находится в ступице крыльчатки. Корпус и крыльчатка выполнены из пластмассы, а стальная ось вращается в подшипнике скольжения[20]20
  В связи с повышенными требованиями к надежности системы охлаждения процессора Pentium 4 в кулерах вновь стали использоваться шарикоподшипники. Их может быть два или один в комбинации с подшипником скольжения.


[Закрыть] (шарикоподшипники стараются не применять из-за повышенного уровня шума). Основное назначение вентилятора в блоке питания – это принудительно охлаждать радиаторы транзисторов импульсного преобразователя и выпрямительных диодов.

Рис. 6.20. Вентилятор для блока питания

При замене вентилятора в блоке питания следует выбирать наиболее малошумящий тип, т. к. его электромотор – один из основных источников шума в персональном компьютере.

Для охлаждения корпусов процессоров и чипсетов используют вентиляторы (рис. 6.21), которые питаются от напряжения +12 или +5 В. Для подключения к блоку питания вентилятор продается вместе с переходником. Так как для управления двигателями таких вентиляторов обычно используется электронная схема, то при их подключении следует соблюдать полярность, в противном случае двигатель вентилятора выходит из строя.

Рис. 6.21. Вентилятор для процессоров и чипсетов

До появления высокочастотных процессоров 486 в персональных компьютерах на системной плате никаких радиаторов и вентиляторов не использовалось. Первые процессоры, которым потребовался радиатор для охлаждения – это 486DX2-50 (рис. 6.22). К корпусу этого процессора алюминиевый радиатор приклеивался и принудительного охлаждения не требовал. Более высокочастотные процессоры уже требовали принудительного охлаждения с помощью вентилятора, установленного на радиаторе (исключение составляет небольшое количество типов процессоров, которые выпускались не корпорациями Intel и AMD).

Рис. 6.22. Процессор Cyrix DX2-50 с приклеенным заводским радиатором

По мере смены поколений процессоров и повышения их тактовой частоты требования к охлаждению повышались. Если процессоры 486 могли какое-то время работать даже без радиатора, например, можно было включить компьютер и пальцем проверить, работает (нагревается) ли процессор, то для процессоров класса Pentium обязательна установка радиатора с принудительным охлаждением. Причем, чем выше тактовая частота, тем серьезнее требования к качеству охлаждения. Сейчас процессор с тактовой частотой выше 1000 МГц немедленно выходит из строя, если на его корпусе очень прочно, с использованием теплопроводящей смазки, не укреплен массивный радиатор.

В процессорах Pentium для защиты от перегрева на кристалле находится электронная схема, которая выключает процессор, если температура кристалла становится выше нормы. В процессорах производства корпорации AMD для этой же цели используется термодиод, созданный на кристалле, а внешняя схема управления размещена на системной плате.

В старых процессорах подложка с кристаллом процессора находилась в центре керамического корпуса, обладающего большой тепловой инерцией, соответственно, для 486 процессоров радиатор на корпус можно было устанавливать без теплопроводящей смазки. Для процессоров Pentium наличие теплопроводящей смазки уже обязательно, особенно для тактовых частот выше 166 МГц, но каких-либо особых требований, отличных от принятых в бытовой электронике, к радиаторам и их установке нет.

На рис. 6.23 показаны корпуса современных процессоров. Обратите внимание, что в центре корпуса выступает металлическая пластина – подложка, на которую припаивается изнутри кристалл процессора. Тепловая инерция такой системы очень мала, поэтому все современные процессоры требуют обязательного применения массивного радиатора, притертого на тонкий слой (около 0,1 мм) теплопроводящей смазки. Иногда вес радиатора, выполненного из красной меди, доходит до 1 кг, а форма может быть весьма замысловатой (рис. 6.24), кроме того, применяются самые разнообразные способы его крепления к процессору. На системных платах для процессора Pentium 4 имеются специальные крепежные отверстия для установки радиатора. На корпус процессора AMD для правильной установки радиатора приклеены резиновые шайбы. Сами радиаторы крепятся к сокету процессора с помощью крючков, которые натягиваются на пластмассовые выступы сокета с помощью отвертки или специального приспособления, с приложением значительного усилия. В Pentium 4 радиатор крепится к специальной пластмассовой направляющей, которая установлена на системной плате.

Рис. 6.23. Корпус современных процессоров а – Pentium 4; б – Athlon

Рис. 6.24. Радиатор для современного процессора

Так как охлаждение процессора сегодня стало очень болезненной проблемой, то для принудительного охлаждения на радиатор часто устанавливают два вентилятора. Также используют специальные схемы для контроля за их вращением. Дополнительно BIOS и операционную систему снабжают подпрограммами для мониторинга температуры процессора.

К сожалению, ряд производителей радиаторов, используя заблуждения пользователей, выпускают очень красивые и дорогие радиаторы, которые, увы, имеют весьма малую эффективность (хорошо, если они обладают хоть как-то сравнимыми со штатными радиаторами характеристиками). Покупать же несколько радиаторов и проверять их работу может позволить себе не каждый российский пользователь, поэтому наиболее изобретательные используют подручные средства, создавая свои системы охлаждения.

На рис. 6.25 показан вариант, когда на круглый радиатор (см. рис. 6.24) надета сделанная из бутылки из-под лимонада переходная трубка с дополнительным вентилятором. Но заметим, что такой способ применим только тогда, когда в компьютере использован малогабаритный блок питания (глубиной 100 мм).

Рис. 6.25. Дополнительный вентилятор на радиаторе процессора (с малогабаритным блоком питания компьютера)

У «продвинутого» пользователя, который очень заботится о самочувствии своего электронного чуда, внутри корпуса персонального компьютера вращается значительное количество дополнительных вентиляторов, например, для охлаждения винчестера, памяти, чипсета, видеокарты и т. д. А поскольку штатные радиаторы и вентиляторы не всегда такого пользователя удовлетворяют, то используются более мощные. Но в этом случае возникают проблемы с подключением дополнительных вентиляторов к цепи питания. Чтобы упростить подключение дополнительных вентиляторов и сократить число переходников в цепи +12 и +5 В, можно использовать пластмассовую электрическую колодку, к которой подключают все внештатные охлаждающие устройства (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Подключение вспомогательных вентиляторов

Предупреждение

Все доработки системы охлаждения требуют особой тщательности и аккуратности. До первого включения компьютера обязательно проверьте правильность и надежность электрических и механических соединений.