ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

От мотор-генераторов до микроэлектроники (электропитание)

О. К. Щербаков, к.т.н.

С середины 50-х годов в вычислительных машинах стали применяться полупроводниковые диоды. Количество радиоламп в них уменьшилось, однако системы питания оставались большими и громоздкими, занимающими до 2/3 площади вычислительной машины.

В это время в Институте сотрудники группы питания работали над созданием более экономичных и значительно меньших по объему источников вторичного электропитания (ИВЭП). Появилась мысль заменить все генераторы постоянного тока одним генератором-преобразователем (50—400 Гц) для развязки от силовой сети и поставить регулируемые выпрямители.

Когда об этой идее узнал Сергей Алексеевич Лебедев, он в шутку сказал, что наконец-то в Институте откроется буфет, а может быть, и столовая вместо аккумуляторной и генераторной, которые занимали почти весь подвал. И работа закипела. В Институте создавалась новая вычислительная машина М-20. Она по своей производительности и другим параметрам превосходила БЭСМ АН СССР, была меньшей по объему, что давало возможность сделать более компактной систему электропитания.

В качестве источников вторичного электропитания были разработаны трехфазные выпрямители на германиевых диодах со схемой стабилизации выходного напряжения, собранной на магнитных усилителях и полупроводниковых триодах. Использование силовой сети повышенной частоты (400 Гц) облегчило сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения на фильтр и, тем самым, уменьшить внутреннее сопротивление последних, время срабатывания магнитного усилителя и в 2—3 раза сократить габариты и вес источников электропитания.

Сочетание магнитных усилителей и полупроводниковых триодов в схеме стабилизаторов напряжения выпрямителей, а также использование ленточных магнитных сердечников с питанием от напряжения повышенной частоты позволили значительно повысить надежность и быстродействие стабилизаторов. В результате этого резко сократилось количество конденсаторов, устанавливаемых на выходе вторичных источников питания и на шинах питания вычислительной машины. Ранее на некоторых машинах, разрабатываемых в нашем Институте, в качестве источников вторичного электропитания пытались использовать выпускаемые предприятиями связи селеновые выпрямители со схемой управления на магнитных усилителях. Эти выпрямители питались от сети 50 Гц. Плохая сталь в сердечниках магнитных усилителей, низкая частота сети и селеновые выпрямители с большим сопротивлением — все это приводило к тому, что источники электропитания очень медленно реагировали на любое изменение нагрузки. Чтобы сгладить скачки напряжения при изменении нагрузки, в нижней части шкафов вычислительной машины устанавливались металлические короба с параллельно соединенными конденсаторами фильтрами (до 100 шт.). Вначале в эти короба ставились электролитические конденсаторы большой емкости, которые, однако, периодически взрывались. Картина была неприглядной: весь низ шкафа был забрызган электролитом. После таких взрывов долго приходилось очищать машину. Тогда решили вместо электролитических конденсаторов поставить бумажные. Взрывы прекратились, но случилась новая беда: конденсаторы пробивались, закорачивая шины питания на землю, и начинались сбои в работе вычислительной машины вплоть до полной ее остановки. Разработанные в Институте источники вторичного электропитания сняли данную проблему. Установленные в системе электропитания ЭВМ М-20 они зарекомендовали себя с хорошей стороны. В создании этих источников большое участие приняли М.А.Терехин, И.Г.Разумное, В.Р.Холмаков, В.П. Филатов, В.В.Солнцев, А.С.Клюев и Л.И.Бочкарев.

Вычислительная техника бурно развивалась. В 60-х годах начали разрабатываться ЭВМ 2-го поколения, которые собирались на полупроводниковых элементах. В это время в Институте создавалась ЭВМ БЭСМ-6. Размеры и объемы ЭВМ начали сокращаться, а, следовательно, надо было уменьшить и размеры площадей, занимаемых системой электропитания. Кроме того, появилось большое количество номиналов напряжений питания — величины питающих напряжений резко снизились, токи потребления возросли, возросли требования к стабильности выходных напряжений и фильтрации пульсаций и помех, излучаемых ИВЭП. Для таких ЭВМ источники электропитания становились важной составной частью, от правильного сопряжения которых с электронными схемами во многом зависели качество функционирования и эффективность использования вычислительной машины. Всё это привело к тому, что источники электропитания, используемые в ЭВМ М-20, стали непригодны для новой вычислительной машины. Начали создаваться новые источники электропитания со схемой стабилизации выходного напряжения на полупроводниковых триодах. В разработке линейных транзисторных стабилизаторов напряжения принимали участие сотрудники Института и сотрудники ОКБ ТМ и ВТ (М.А.Терехин, С.Б.Базанов, И.Г.Разумнов, В.А.Пономарев, В.Р.Холмаков, В.В.Солнцев, А.С.Клюев, Г.А.Тарасов).

Суммарная нестабильность транзисторных источников была менее 2%. Эти ИВЭП могли работать как с внутренней, так и с внешней обратной связью, имели модульную конструкцию, возможность дистанционного изменения выходных напряжений, высокую надежность в работе.

При разработке БЭСМ-6 возникли также дополнительные требования и к самой системе электропитания: низкие уровни напряжений постоянного тока, а значит, жесткие требования к помехам в цепях электропитания, импульсный характер нагрузки, особенно для запоминающих устройств, высокая стабильность питающих напряжений, контроль напряжений и токов, защита электронных схем от перенапряжений и перегрузок и высокая надежность всей системы. Поэтому пришлось почти заново разрабатывать систему электропитания.

Для нее была выбрана централизованная система, при которой шкаф питания обеспечивал нужными номиналами питания одно или несколько функциональных устройств ЭВМ. В нем преобразовывалось трехфазное напряжение переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, происходило распределение электроэнергии, были установлены схемы защиты цепей переменного тока от коротких замыканий и пропадания фазы, а цепей постоянного тока — от коротких замыканий, превышения и понижения напряжения питания, включения и выключения источников электропитания, имелись схемы индикации и сигнализации о состоянии работы отдельных узлов системы.

В системе электропитания БЭСМ-6 было значительное количество трансформаторов и емкостных фильтров, что увеличивало токи включения ИВЭП, для уменьшения которых была предусмотрена специальная схема плавного и последовательного включения. Сначала включалась вентиляция и схема защиты, а затем — источники вторичного электропитания.

При невключении одного из ИВЭП данного шкафа отключались все источники вторичного электропитания.

Схема электропитания включала в себя двухступенчатое преобразование напряжения первичной сети 50 Гц в сеть повышенной частоты (400 Гц) с помощью машинного преобразователя ПСЧ. Инерция вращения агрегатов и система управления выходным напряжением генераторов исключала перерывы в энергоснабжении ЭВМ во время кратковременных пропаданий напряжения первичной сети. Применение в качестве преобразователя машинного агрегата позволило осуществить гальваническую развязку устройств от первичной сети, получить на второй ступени преобразования напряжение повышенной частоты и стабильности, что привело к уменьшению габаритов и веса источников вторичного электропитания, повысило устойчивость работы стабилизаторов 2-го уровня при изменениях напряжения первичной сети.

Для БЭСМ-6 в целях предохранения логических элементов и ИВЭП от повреждений, увеличения срока их службы, а также для локализации неисправностей была разработана схема контроля. Своеобразие схемы заключалось в том, что она могла срабатывать от различных по величине отрицательных и положительных напряжений, работать как минимальная, максимальная и токовая защита. При эксплуатации БЭСМ-6 подтвердилась надежность и устойчивость ее электрических характеристик.

Оператор, сидящий за центральным пультом управления БЭСМ-6, мог проверить величину любого напряжения питания, изменить его в определенных пределах, а также с помощью световой и звуковой сигнализации локализовать аварию в системе электропитания.

На базе ЭВМ БЭСМ-6 была разработана вычислительная система, предназначенная, в основном, для работы в реальном масштабе времени, с большим количеством устройств, работающих с линиями связи. Для этой системы принципиальным был вопрос контроля и управления электропитанием, так как количество ИВЭП достигло более сотни штук. Разработанная для ЭВМ БЭСМ-6 система контроля и регулирования выходных напряжений источников электропитания не удовлетворяла возрастающим требованиям надежности и эффективности работы больших вычислительных систем. Проблема эта была решена при использовании ЭВМ как органа управления для автоматического контроля и регулирования ИВЭП. Было создано устройство, выполняющее функции программного контроля и управления источниками электропитания. В разработке его принимали участие Ю.С.Гаврин, В.Р.Холмаков, В.В.Солнцев, М.В.Шапошникова, Л.В.Сидорова, Л.К.Крупская.

Устройство сократило время профилактической проверки вычислительной системы, увеличило ее надежность, дало возможность автоматизировать последовательность проверки, выбор наилучших режимов работы, нахождения оптимальных величин напряжений, набора статистики по выходу из строя схем системы электропитания, что значительно повысило эффективность эксплуатации вычислительной системы.

Итак, от громоздких систем электропитания мы подошли к системе, значительно меньшей по объему и лучшей по своим техническим и электрическим характеристикам.

С.А.Лебедев, несмотря на свою занятость, уделял большое внимание разработке систем электропитания. Еще будучи молодым научным сотрудником, Сергей Алексеевич в одной из своих научных работ взялся за решение проблемы параллельной работы мощных генераторов переменного тока в энергосетях и успешно решил ее. Он всегда считал, что энергетика вычислительной машины очень сильно влияет на ее технические и надежностные характеристики.

В начале своей работы в Институте помню, был такой случай: как-то из подвала повалил дым. Испуганные сотрудники вбежали в кабинет Сергея Алексеевича с криком: «БЭСМ горит!». Сергей Алексеевич выскочил из кабинета и побежал вниз. Тогда в подвале стояли мотор-генераторы постоянного тока, а на потолке генераторной висели реостаты, с помощью которых устанавливались нужные номиналы напряжений. В потолке были пробиты дыры, через которые толстые провода подводились к БЭСМ, стоящей на первом этаже. В одном из реостатов произошло короткое замыкание, он накалился, загорелись провода, а потом и распределительные щитки, установленные в основании БЭСМ. Сергей Алексеевич приказал отключить все энергетические установки, и пожар постепенно пошел на убыль. После этого случая система электропитания была полностью переделана.

Система электропитания вычислительных машин от БЭСМ АН СССР до БЭСМ-6, создаваемых в нашем Институте, претерпела большие изменения: от мотор-генераторов постоянного тока и специальной аккумуляторной с кислотными батареями, занимавшими громадные площади, до стоек питания со стабилизированными выпрямителями, умещающимися в одной небольшой комнате.

Новые принципы построения систем электропитания ЭВМ значительно повысили надежность и эффективность работы вычислительных машин.

В 70-х годах началось создание супер-ЭВМ. Переход к новым разработкам был очень сложный и ответственный — от полупроводниковых машин к машине на больших интегральных схемах. Требования к системе электропитания повысились. Нужно было создать новые, более экономичные, надежные и меньших габаритов источники вторичного электропитания, систему диагностики и контроля, которая не только бы констатировала неисправности аппаратуры, но и указывала на их причины и локализовывала место данных неисправностей, а также всю систему электропитания сделать более компактной, надежной и удобной в эксплуатации. За решение этой проблемы взялся наш сектор, который стал называться сектором средств автоматического контроля, в составе О.К.Щербакова, Ю.С.Гаврина, Л.К.Крупской, В.Р.Холмакова, М.В.Шапошниковой, С.Ф.Ковальчука, М.А.Лебедева, М.А.Бизева, Ю.Н.Тереховой.

Основное внимание в работе было уделено созданию источников вторичного электропитания, используя прогрессивные схемотехнические решения, более компактные устройства питания и, наконец, принципиально новый подход к построению системы диагностики и контроля с применением персональной ЭВМ. В состав системы электропитания вошли: источники вторичного электропитания, силовые распределительные установки, соединительные кабели, шины заземления, устройства контроля, диагностики и сигнализации о состоянии отдельных узлов системы.

Условия применения ИВЭП в ЭВМ довольно сложны, поэтому разработка велась с учетом взаимодействия между ИВЭП и логическими устройствами ЭВМ. При проектировании ИВЭП рассматривалась их электромагнитная совместимость, полное выходное сопротивление, переходная характеристика и временной дрейф.

В ИВЭП встраивались защита от перенапряжений, перегрузок и коротких замыканий, схема, сигнализирующая о выходе напряжения источника питания за допустимые пределы и выдающая сигналы, фиксирующие причину неисправности.

Компоновочная схема системы электропитания предусматривала размещение всех источников вторичного электропитания в стойках питания функциональных устройств.

Разработка устройств велась так, чтобы источники электропитания располагались в непосредственной близости от логических схем, были компактны, удобны в ремонте и обслуживании. Модульный принцип построения конструктивных узлов аппаратуры ЭВМ нашел широкое применение при построении систем электропитания. Эта конструкция позволила унифицировать ИВЭП и другие функциональные узлы и на их основе оптимально компоновать устройства электропитания для ЭВМ.

Применение ЭВМ требовало непрерывной подачи электроэнергии при перерывах, имеющих место во внешней электрической сети. Для этого в супер-ЭВМ были использованы две линии силовой сети и установлены два комплекта преобразователей ПСЧ, которые работали в параллельном режиме.

В источниках вторичного электропитания используется метод высокочастотного преобразования энергии, и они имеют высокий КПД. В схемах ИВЭП реализована возможность программного управления режимами работы и изменения выходных напряжений средствами сервисной ЭВМ. ИВЭПы допускают параллельную работу на общую нагрузку. При перегрузке по выходному току они переходят из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока, а при коротких замыканиях отключаются, кроме того, ИВЭПы выдают сигналы, которые констатируют причины аварии.

Для контроля выходных напряжений ИВЭП, контроля температуры различных элементов системы электропитания и охлаждения, для дистанционного автоматического включения и выключения ИВЭП, а также для изменения питающих напряжений в режиме профилактического контроля логических устройств разработана подсистема автоматического контроля. Она состоит из персональной ЭВМ, канала связи, блоков управления питанием и контроллеров логического и технического состояний устройств. Схема коммутаций позволяет по командам сервисной ЭВМ по конкретному адресу выбрать для контроля требуемый параметр. Коммутируемые параметры подключаются к аналого-цифровому преобразователю с помощью интегральных коммутаторов, расположенных в блоке управления питанием, и вся полученная информация выдается на дисплей инженерного пульта. Персональная ЭВМ, в свою очередь, входит в состав инженерного пульта управления. Пульт обеспечивает выполнение функций контроля за техническим состоянием устройств (температура, давление, параметры системы электропитания и пр.), осуществляет управление режимом работы центрального процессора, обеспечивает диагностические функции (прогон контрольных и диагностических тестов в утяжеленных режимах), а также включение и выключение источников питания каждого функционального устройства. Персональная ЭВМ связана со всеми устройствами центрального процессора через общую шину, работающую в режиме разделения времени. Абонентами общей шины являются контроллеры логического и технического состояний, оформленные в конструктивно законченный блок и расположенные в стойках электропитания.

При проведении профконтроля с персональной ЭВМ выдается двоичный код на схему управления цифроаналоговыми преобразователями источников питания для плавной регулировки их выходных напряжений и изменения напряжения, управляющего величиной задержки синхросигнала с целью создания утяжеленных режимов работы больших интегральных схем и других компонентов устройств.

При создании супер-ЭВМ на основе многопроцессорной вычислительной системы все инженерные пульты связываются между собой через локальную сеть. Связь ЭВМ с помощью локальной сети дает возможность взаимодействия каждой из персональных ЭВМ с любой другой.

В разработке систем электропитания ЭВМ в различные периоды времени, кроме отмеченных выше специалистов, принимали участие Е.Ф.Бережной, Ю.И.Визун, В.К.Зейденберг, В.В.Кобелев, Ю.И.Сенаторов, Е.С.Моисеева, а также сотрудники электромеханического отдела Е.В.Сафонов, В.В.Таганкин, Г.М.Орлов, В.З.Щекочихин, В.Н.Куранов.

С 1950 г. системы электропитания электронных вычислительных машин, разработанные в нашем Институте, получили большое развитие: от мотор-генераторов постоянного тока и кислотных аккумуляторов до источников питания и устройств подсистемы контроля, построенных в основном на интегральных схемах. В последние годы в новой системе электропитания для контроля технических параметров функциональных устройств и всего вычислительного комплекса нашли широкое применение персональные ЭВМ.

 

© 1948—2016 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация