Для чего нужен блок питания в компьютере. Методика тестирования блоков питания

1. Блок питания компьютера
2. Мощность
3. Активный или пассивный PFC?
4. Охлаждение блока питания
5. Разъемы и кабели
6. Бренды и производители
7. Из истории
8. Перспективы развития

Блок питания компьютера

Правильно выбрать блок питания для компьютера - иногда может быть не так просто, как кажется. От этого выбора зависит стабильность, а также срок службы всех используемых компонентов ПК, и подходить вопросу выбора блока питания - нужно серьезно. В данном обзоре, мы попытаемся рассмотреть основные моменты, которые помогут сделать правильный выбор.

Мощность

На выходе блока питания присутствуют следующие постоянные напряжения: +5 V, +12 V (также +3.3 V), и - вспомогательные (минус 12 V и + 5 V в простое). Основной же нагрузкой сейчас «принято» загружать линию +12 V.

Выходная мощность (W - Ватт) рассчитывается по простой формуле: она равна произведению U на J, где U – напряжение (в Вольтах), J – сила тока (в Амперах). Напряжения – постоянны, поэтому, чем больше мощность, тем больше должна быть сила тока по линиям.

Но, оказывается, тут тоже не все просто. При сильной нагрузке на комбинированную линию +3.3 / +5, уменьшиться может мощность по линии +12. Пример - маркировка блока питания бюджетного бренда Cooler Master (модели RS-500-PSAP-J3):

Максимальная суммарная мощность по линиям +3.3 и +5 равна 130W (что – указано на упаковке), ну а максимальная мощность по «наиболее важной» линии +12V - равна 360W.

Но и это – не все. Обратим внимание на надпись ниже:

3.3V и +5V и +12V суммарная мощность не должна превышать 427.9 W. Как бы, теоретически (глядя в «таблицу»), мы «видим» 490W (360 плюс 130), а здесь - всего лишь 427.9.

Что это даст нам на практике: если нагрузка по линии +3.3V и 5V будет в сумме, скажем 60W, то отняв от приводимой производителем мощности 427.9, т.е. 427.9 – 60, получаем 367.9W. Мы получим только 360 Ватт по линии +12V. От которой идет как раз «основное потребление»: ток на процессор, видеокарту.

Автоматический расчет мощности

Для расчета мощности блоков питания, можно воспользоваться калькулятором в браузере: http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp. Хотя он - на английском языке, разобраться можно. Таких сервисов, в интернете достаточно много.

В общем, здесь можно выбрать почти что все, что нужно, включая конкретный тип CPU, формат материнской платы (micro-ATX или ATX), число планок памяти, винчестеров, вентиляторов… Для расчета, надо жать на прямоугольную кнопку «Calculate». Сервис выдаcт: как рекомендуемое, так и минимально возможное значение мощности (в Ваттах) для вашей системы.

Однако, по опыту, можно считать: офисный компьютер (с двух-ядерным CPU), может довольствоваться блоком питания на 300W. Для домашнего (игрового, с дискретной видеокартой) – подходит БП 450 - 500W, ну а для мощных игровых ПК с «верхней» (топовой) картой (либо – двумя, в режиме Crossfire или SLI) - Total Power (суммарная мощность) начинается от 600 - 700W.

Центральный процессор, даже при максимально возможной нагрузке, потребляет 100 - 180W (исключение – 6-ядерные AMD), видеокарта дискретная – от 90 до 340W, сама материнская плата - 25-30W (планка памяти - 5-7W), жесткий диск 15-20W. Учитывайте при этом, что основная нагрузка (процессор и видеокарта) ложится на линию «12V». Ну и, желательно добавить запас по мощности (10-20%).

КПД – коэффициент полезного действия

Немаловажным критерием будет и КПД блока питания. Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение полезной мощности, выдаваемой блоком питания, к потребляемой им от сети. Если схема блока питания ПКсодержала бы лишь трансформатор, его КПД был бы около 100%.

Рассмотрим пример, когда блок питания (с известным КПД - 80%) обеспечивает на выходе мощность в 400W. Если это число (400) разделить на 80% - получим 500W. А блок питания с теми же характеристиками, но с меньшим КПД (70%), будет потреблять уже 570W.

Но – не надо воспринимать эти цифры «всерьез». Блок питания большую часть времени – нагружен не полностью, например, это значение может быть 200W (потреблять от сети компьютер будет меньше).

Существует организация, в функции которой входит тест блоков питания на соответствие уровню заявленного стандарта КПД. Сертификация 80 Plus, при этом, проводится только для сетей на 115 Вольт (распространенных в США), начиная же с «класса» 80 Plus Bronze, все блоки тестируются для использования в 220В-электросети. Например, если сертификация пройдена в классе 80 Plus Bronze, КПД блока питания составляет 85% при «половинной» загрузке по мощности, и 81% - при заявленной мощности.

Наличие логотипа на блоке питания говорит, что товар соответствует уровню сертификации.

Плюсы высокого КПД: меньше энергии отводится «в виде тепла», и система охлаждения, соответственно, будет менее шумной. Во-вторых – очевидна экономия электричества (хотя и, не очень большая). Качество у «сертифицированных» БП, как правило, высокое.

Активный или пассивный PFC?

Power Factor Correction (PFC) – коррекция коэффициента мощности. Power Factor - отношение активной мощности к полной (активной плюс реактивной).

Нагрузкой же, реактивная мощность не потребляется – она на 100% отдается обратно в сеть, на следующем полупериоде. Однако, с ростом реактивной мощности, растет максимальное (за период) значение силы тока.

Слишком большая сила тока в проводах 220В – хорошо ли это? Наверное, нет. Поэтому, с реактивной мощностью по возможности борются (особенно это актуально для действительно мощных устройств, «переходящих» предел в 300-400 Ватт).

PFC – может быть пассивным или активным.

Преимущества активного метода:

Обеспечивается близкий к идеальному значению Power Factor (коэффициент мощности), вплоть до значения, близкого к 1. При PF=1, сила тока в проводе 220В не превысит значение «мощность делить на 220» (в случае меньших значений PF, сила тока – всегда несколько больше).

Недостатки активного PFC:

Повышается сложность – снижается общая надежность блока питания. Самой системе активного PFC - требуется охлаждение. Кроме того, не рекомендуют использовать системы активной коррекции с автовольтажем совместно с источниками ИБП (UPS).

Преимущества пассивной PFC:

Отсутствуют недостатки активного метода.

Недостатки:

Система – малоэффективна при больших значениях мощности.

Что именно выбрать? В любом случае, приобретая БП меньшей мощности (до 400-450W), в нем чаще всего вы обнаружите PFC пассивной системы, а более мощные блоки, от 600 W – чаще встречаются с активной коррекцией.

Охлаждение блока питания

Наличие в любом блоке питания вентилятора для охлаждения - считается нормой. Диаметр вентилятора – может быть равным 120 мм, встречается вариант на 135 мм и, наконец, 140 мм.

Системный блок предусматривает установку БП вверху корпуса – тогда, выбирайте любую модель с горизонтально расположенным вентилятором. Больше диаметр – меньше шум (c одинаковой мощностью охлаждения).

Скорость вращения должна меняться в зависимости от внутренней температуры. Когда БП не перегревается – зачем нужно крутить «вентиль» на всех оборотах, и досаждать пользователю шумом? Существуют модели БП, полностью останавливающие свой вентилятор при потребляемой мощности менее 1/3 расчетной. Что - удобно.

Главное в системе охлаждения БП – это ее тишина (или – полное отсутствие вентилятора, такое тоже встречается). С другой стороны, охлаждение нужно затем, чтобы не допустить перегрева деталей (высокая мощность, в любом случае, влечет тепловыделение). На больших мощностях, без вентилятора – не обойтись.

Примечание: на фото – результат моддинга (удаление стандартной решетки-прорези, установка вентилятора Noktua и гриля 120 мм).

Разъемы и кабели

При покупке и выборе, обращайте внимание на количество доступных разъемов и длину проводов, идущих от блока питания. В зависимости от геометрии корпуса, нужно выбирать БП с достаточным по длине жгутом кабеля. Для стандартных корпусов ATX, достаточно будет жгута 40-45 см.

Блок питания, работающий в домашнем и офисном компьютере, имеет разъемы:

Это - 24-х контактный разъем питания материнской платы ПК. Обычно здесь – раздельно 20 и 4 контакта, но бывает – и монолитный, 24-контактный.

Разъем питания процессора. Обычно он 4-х контактный, и только для очень мощных процессоров используют 8 контактов. Правильно выбрать блок питания для компьютера можно, ориентируясь на соответствующий разъем самой материнской платы.

Разъем для питания видеокарты – выглядит аналогично, и отличается тем, что он - 6-ти либо 8-ми контактный.

Разъемы (коннекторы) для питания SATA-устройств (жестких дисков, оптических приводов), четырех контактные Molex (для IDE), и для включения FDD (или кард-ридера) – знакомы большинству пользователей:

Примечание: количество всех дополнительных разъемов (SATA, MOLEX, FDD) должно быть достаточным для подключения устройств, размещаемых внутри системного блока.

Монтаж – демонтаж

Для демонтажа старого блока питания, отключите его провод 220 Вольт. Затем, необходимо выждать 2-3 минуты, и только затем приступать к работе. Внимание! Несоблюдение данного требования может повлечь электротравму.

Блок питания в любом ПК крепится к задней стенке на 4-х винтах (саморезах). Откручивать их можно, только отключив все внутренние разъемы и штекеры блока питания (2 разъема материнской платы, видеокарты, коннекторы дополнительных устройств).

Подключить блок питания к компьютеру можно в обратном порядке: сначала – монтируем в корпус, закрепляя винтами, затем – подключаем разъемы.

Примечание: при манипуляциях с блоком питания, кулер процессора может мешать. Если есть возможность его демонтировать - воспользуйтесь этим (поставите на место – потом, перед включением).

Включение компьютера с новым БП

Подав питание 220 Вольт на новый БП, не нужно сразу включать компьютер. Подождите секунд 10-15 сначала: вы будете слушать, не происходит ли что-либо «неординарное». Если слышим писк, звон дросселей – идем и меняем блок питания по гарантии. Если же вы слышите периодически повторяющийся «металлический» щелчок – не включайте компьютер с таким блоком питания.

Если в дежурном режиме, блок питания «щелкает» - это работает система защиты. Отключите такой блок питания, отсоедините его разъемы (коннекторы). Можно попробовать собрать то же самое еще раз - если проблема повторяется, несем блок питания в сервисный центр (возможно, неисправен сам блок).

Компьютер с исправным БП включается практически сразу же, при нажатии кнопки «Power» ATX-корпуса. Должно появиться изображение на мониторе – теперь вы можете продолжить работу, но уже - с новым блоком питания.

Модульные кабели и разъемы

Многие более мощные модели блоков питания сейчас используют так называемое «модульное» подключение. Добавление внутренних кабелей с соответствующими ответными разъемами – происходит по необходимости. Это удобно, потому, что в корпусе компьютера уже не надо держать лишние (неиспользуемые) провода, к тому же, так - меньше путаницы. А отсутствие лишних проводов, улучшает также циркуляцию горячего воздуха. В модульных блоках питания, «несъемными» делают только шнуры с разъемом для материнской платы/процессора.

Бренды и производители

Все фирмы (производители блоков питания для компьютера) – принадлежат одной из 3-х основных групп:

1. Производят полностью свою продукцию – такие бренды, как Hipro, FSP, Enermax, Delta, также HEC, Seasonic.
2. Производят продукцию, перекладывая часть процесса изготовления на другие компании - Corsair, Silverstone, Antec, Power&Cooling и Zalman.
3. Перепродают готовые блоки под собственной маркой (некоторые – производят «отбор», некоторые - нет): Chiftec, Gigabyte, Cooler Master, OCZ, Thermaltake.

Каждый бренд, приведенный выше, смело можно рекомендовать. В интернете, к тому же, приводится много обзоров и тестов для «фирменных» блоков питания, по которым можно ориентироваться пользователю.

Перед покупкой БП, его стоит взвесить (достаточно и подержать в руке). Это позволит более-менее понять, что у него внутри. Конечно, способ это - неточный, однако он позволяет сразу «отмести» явно «дешевый» БП.

Масса блока питания зависит от качества стали, габаритов вентилятора, а (главное): количества дросселей и веса радиаторов внутри. Если в БП не хватает каких-то катушек индуктивности (или, допустим, конденсаторы - уменьшенной емкости), это говорит об «удешевлении» электрической схемы: БП будет весить 700-900 гр. Хороший БП (450-500W) весит обычно от 900 гр. до 1,4 кг.

Из истории

На рынке персональных компьютеров, то есть не только IBM-совместимых, а – в более общем смысле «компьютеров», на стандартизацию компонентов (БП, материнской платы) изначально пошла компания IBM. Остальные затем стали это «копировать». Все известные форм-факторы для блоков питания IBM-совместимых ПК, основаны на какой-либо из моделей БП: PC/XT, PC/AT, и Model 30 PS/2. Все совместимые ПК, так или иначе, могли использовать один из трех оригинальных стандартов, разработанных IBM. Эти стандарты были популярны вплоть до 1996 г., и даже позднее – современный стандарт ATX восходит к физической компоновке PS/2 Model 30.

Новый форм-фактор, то есть известный нам ATX, определила в 1995 г. компания Intel (тогда - партнер IBM), представив стандарт для платы и блока питания. Новый стандарт обрел популярность с 1996 г., и производители постепенно начали отходить от устаревшего стандарта AT. ATX и некоторые «ответвления» стандарта, которые за ним последовали, используют отличные от форм-фактора AT разъемы мат. платы (не только с дополнительными напряжениями, но и сигналами, которые позволяют обеспечивать большую мощность и дополнительные возможности).

Все IBM-овские стандарты предусматривали физически один и тот же разъем, подающий питание на материнскую плату. Для включения и выключения, чтобы подать питание на компьютер, использовался тумблер (или кнопка), размыкающий провод с напряжением 220 Вольт. Что было не очень удобно (особенно при разборе/ремонте ПК). Поэтому, появился новый стандарт, «не допускающий» напряжение более 12 Вольт внутри системного блока (внутри корпуса).

Необходимо сказать, что сама схема питания (принцип ее построения), начиная от первых PC XT, значительных изменений не получила. Принцип преобразования энергии, используемый в компьютерных БП, называется «импульсным» (из переменного напряжения 220 Вольт делается «постоянное», затем, оно преобразуется, понижается до более низких значений импульсным методом). Первые блоки питания для персональных компьютеров имели мощность 60 W (XT), или, скажем, 100-120 W (AT 286). Просто, тогда компьютер предусматривал установку: 1-2 дисководов, одного винчестера (да и сам процессор - «потреблял» очень мало).

Перспективы развития

800 Ватт, 900 Ватт, 1000 Ватт… Блоком питания для ПК, отдающим в нагрузку один Киловатт энергии - никого не удивить. Конечно, цена значительно отличается (от «стандартных» коробок на 450-500 W), однако, такой блок питания обеспечивает достаточный уровень надежности (и – невысокий уровень шума) даже при полной загрузке! Ну, просто чудо.

Если же посчитать, сколько энергии такой компьютер будет потреблять от розетки – получится, что это ни что иное, как эквивалент постоянно включенного на полную мощность утюга. Хорошего такого, по мощности - выше среднего, тяжеленького…

Последнее время, с переходом на новые техпроцессы производства «главных» микросхем для компьютера (центрального процессора, модуля 3-D), движение наметилось как раз «обратное» – то есть, снижение общей мощности при сохранении того же уровня производительности. Два года назад, средний 4-ядерный «проц» потреблял не менее 90 W, сейчас - уже 65 («новый», при этом – быстрее). В любом случае (как 2 года назад, так и сейчас), выбор – за пользователем.

Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

Single-Transistor Forward

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

• зеленый: ≤ 1%;
• салатовый: ≤ 2%;
• желтый: ≤ 3%;
• оранжевый: ≤ 4%;
• красный: ≤ 5%.
• белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.

1. Выбор блока питания

Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи

1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)

2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)

3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)

8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)

9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)

10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)

11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)

12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А - накал)

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА - 30А)

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

2. Правила безопасности

Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.

3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.

3.1. Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.

Эта формула хороша тем, что под "U" можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.

Рис.1

Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:

Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе ()

Из приведенного примера совершенно очевидно, что . Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.

Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.

Рис.2

Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.

Где: ε – ЭДС
I – сила тока
R – сопротивление нагрузки
r – внутреннее сопротивление источника

Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.

3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.

С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».

4. Начинка

ВсеБП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.

4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например « Blue Tooth » или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика ). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.

4.2. Выпрямление подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.

4.2.1. Четвертьмост

Рис.3

Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Рис.4

Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).

4.2.3. Полный мост

Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).

Рис.5

На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.

Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице

где: U 2 – напряжение вторичной обмотки
I 2 – предельно допустимый ток вторичной обмотки
U обр – Предельно допустимое обратное напряжение диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов)
I пр.макс – Предельно допустимый прямой ток диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов)
q 0 – коэффициент пульсаций на выходе
U 0 – Выводное напряжение выпрямителя
I 0 – максимальный ток нагрузки

Емкость сглаживающего конденсатора можно вычислить по формуле

где: q – коэффициент пульсаций
m – фазность
f – частота пульсаций
R н – сопротивление нагрузки ()
R ф – сопротивление резистора фильтра (это формула для резистивно-емкостных фильтров, но в качестве резистора можно взять выходное сопротивление выпрямителя [внутреннее сопротивление трансформатора+импеданс вентилей])

4.3. Фильтрация

Пульсации вносят помехи в работу аппарата, который питается от БП. Кроме того, они делают невозможной работу стабилизаторов ввиду того, что в интервалах между полуволнами (абсолютная синусоида) напряжение падает практически до нуля. Рассмотрим некоторые виды сглаживающих фильтров.

4.3.1. Пассивные фильтры могут быть резистивно-емкостными индуктивно-емкостными и комбинированными.

Рис.6

Резистивно-емкостные фильтры (рис.6) характеризуются сравнительно большим падением напряжения. Это связано с применением в них резистора. Поэтому для работы с токами более 500мА такие фильтры не подходят ввиду больших потерь и рассеиваемой мощности. Резистор рассчитывается следующим образом

где: U вып – выходное напряжение выпрямителя
U п – напряжение питания нагрузки
I н – ток нагрузки

Рис.7

Индуктивно-емкостные фильтры характеризуются сравнительно высокой сглаживающей способностью, но уступают другим по массогабаритным параметрам. Основная идея индуктивно – емкостного фильтра в соотношении реактивных сопротивлений его компонентов , т.е. фильтр должен обладать хорошей добротностью. Сам фильтр рассчитывается по следующей формуле

Где: q – коэффициент сглаживания
m – фазность
f – частота
- индуктивность дросселя
– емкость конденсатора.

В любительских условиях вместо дросселя можно использовать первичную обмотку трансформатора (ни того, от которого все питается), а вторичную замкнуть.

4.3.2. Активные фильтры применяются в тех случаях, когда пассивные фильтры не годятся по массогабаритным или температурным параметрам. Дело в том, что, как уже говорилось, чем больше ток нагрузки, тем больше емкость сглаживающих конденсаторов. На практике это вытекает в необходимость применения громоздких электролитических конденсаторов. В активном фильтре используется транзистор в схеме эмиттерного повторителя (каскад с общим коллектором), поэтому сигнал на эмиттере практически повторяет сигнал на базе (рис.8)

Рис.8

Цепь R1C1 рассчитывается как резистивно – емкостной фильтр, только в качестве потребляемого тока берется ток в цепи базы

Однако, как видно из формулы, режим фильтра (в том числе и коэффициент сглаживания) будет зависеть от потребляемого тока, поэтому его лучше зафиксировать (рис.9)

Рис.9

Схема работает при условии, что , при чем выходное напряжение будет составлять примерно 0,98U б в следствии просадки напряжения в повторителе. За сопротивление нагрузки принимаем R2.

4.3.3 Помехозащитные фильтры

Надо сказать, что радиопомехи могут проникать не только из сети в прибор, но и из прибора в сеть. Поэтому оба направления следует защищать от помех. Особенно это касается импульсных БП. Как правило, это сводится к подключению конденсаторов небольшой емкости (0,01 – 1,0мкФ) параллельно цепи, как это показано на рис.10.

Рис.10

Как и в случае со сглаживающими фильтрами, помехозащитные фильтры работают при условии, что емкостное сопротивление конденсаторов на частоте возникновения помехи много меньше сопротивления нагрузки.

Возможно, что помеха возникает ни от спонтанного перепада тока в сети или прибора, а от постоянной «вибрации». Это относится, например, к импульсным БП или передатчикам в телеграфном режиме. В этом случае может потребоваться еще и индукционная развязка (рис.11).

Рис.11

Однако конденсаторы должны быть подобраны так, чтобы не возникал резонанс в обмотках дросселей и трансформаторов.

4.4. Стабилизация

Существует целый ряд устройств, блоков и узлов, которые могут работать только от стабилизированных источников тока. Например генераторы, в которых от напряжения зависит скорость зарядки/разрядки конденсаторов в цепях ОС и, следовательно, частота и форма генерируемого сигнала. Поэтому в БП чаще всего стабилизируют именно выходное напряжение, в то время как ток стабилизируют чаще всего в зарядных устройствах и ИБП, да и то не всегда. Существует достаточно много способов стабилизации напряжения, но на практике чаще всего встречаются параметрические стабилизаторы в том или ином виде. Рассмотрим их работу.

4.4.1. Простейший стабилизатор состоит из стабилитрона и ограничительного резистора (рис.12).

Рис.12

Принцип работы такого стабилизатора основан на изменении падения напряжения в ограничительном резисторе в зависимости от тока. При чем вся схема работает при условии, что
Действительно, если ток, протекающий через нагрузку будет превосходить ток стабилизации, то стабилитрон не сможет обеспечить должный перепад по правилу параллельного соединения

Как видно из формулы, наибольшее влияние на общее сопротивление цепи оказывает наименьшее сопротивление. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения растет его обратный ток, поэтому он и удерживает напряжение в определенных рамках (закон Ома для участка цепи).

4.4.2. Эмиттерный повторитель

Тогда что делать, если потребляемый ток должен превосходить ток стабилизации стабилитрона?

Рис.13

На помощь приходит наш старый добрый эмиттерный повторитель прирожденный усилитель по току. В конце концов что такое падение напряжения на 2% по сравнению с приращением тока на 1000%!? Внедряем (рис.13)! Ток вырос примерно в h 21 раз по сравнению со стабилизатором на стабилитроне. На эмиттере буде примерно 0,98U Б

4.4.3. Наращивание напряжения стабилизации

Проблема решена, а как быть если требуется стабилизировать напряжение, скажем, 60В? В этом случае можно соединять стабилитроны последовательно. Таким образом 60В это 6 стабилитронов по 10В или 5 по 12В (рис.14).

Рис.14

Как и для любой последовательной цепи, здесь работает правило

где: - общее напряжение стабилизации цепочки
n – количество стабилитронов в цепи
- напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

При чем напряжение стабилизации у стабилитронов может отличаться, но ток стабилизации должен быть одинаковым.

4.4.4. Наращивание тока нагрузки

Таким образом решается вопрос с высоким напряжением. Если требуется повысить нагрузочную способность (предельно допустимый ток нагрузки) используются каскады эмиттерных повторителей, образующие составной транзистор (рис.15).

Рис.15

Параметрический стабилизатор и эмиттерный повторитель рассчитываются так же, как и в предыдущих схемах. R2 включен в схему для стока потенциалов с базы VT2 когда VT1 закрыт, однако должно выполняться условие , где Z VT 1 – импеданс VT1 в открытом состоянии.

4.4.5. Регулировка выходного напряжения

В ряде случаев бывает необходимо подстраивать или регулировать выходное напряжение стабилизатора (рис.16).

Рис.16

В этой схеме нагрузкой считается R2, и ток через стабилитрон должен превосходить ток через R2. Следует помнить, что если напряжение снижено до «0», то на переходе коллектор-база действует полное входное напряжение. Если заявленный режим транзистора не достигает этого напряжения, то транзистор неизбежно выйдет из строя. Так же следует отметить, что на выходе стабилизаторов с эмиттерными повторителями очень опасны конденсаторы большой емкости. Дело в том, что в этом случае транзистор оказывается зажатым между двумя большими емкостями. Если разрядить выходной конденсатор, то сглаживающий конденсатор разрядится через транзистор и транзистор выйдет из строя от перегрузки по току. Если разрядить сглаживающий конденсатор, то на эмиттере напряжение станет выше, чем на коллекторе, что так же неизбежно приведет к пробою транзистора.

4.4.6 Стабилизация тока применяется довольно редко. Например зарядных устройствах для АКБ. Самым простым и надежным способом стабилизировать ток является использование каскада с общей базой и светодиодом в качестве стабилизирующего элемента.

Рис.17

Принцип работы такой схемы весьма прост: при снижении тока через нагрузку уменьшается падение напряжения в каскаде. Таким образом на нагрузке повышается напряжение, а следовательно (по закону Ома) и ток. А вырасти выше нужного предела току не позволяет зафиксированный светодиодом режим базы транзистора, т.е. коэффициент усиления не позволяет выдать такой ток на выходе, ибо транзистор работает в режиме насыщения.

где: R1 – сопротивление резистора R1
U пр.св – прямое напряжение на светодиоде
U БЭ.нас – напряжение между эмиттером и базой в режиме насыщения
I H – необходимый ток нагрузки.

где: R2 – сопротивление резистора R2
Е – входное напряжение стабилизатора
U пр.св – максимальное прямое напряжение светодиода
I пр. max – максимальный прямой ток светодиода.

Импульсные БП будут рассмотрены во второй части статьи.

Блок питания - это важнейший компонент любого персонального компьютера, от которого зависит надежность и стабильность вашей сборки. На рынке довольно большой выбор продукции от различных производителей. У каждого из них по две-три линейки и больше, которые включают в себя еще и с десяток моделей, что серьезно запутывает покупателей. Многие не уделяют этому вопросу должного внимания, из-за чего часто переплачивают за избыточную мощность и ненужные "навороты". В этой статье мы разберемся, какой же блок питания подойдет для вашего ПК лучше всего?

Блок питания (далее по тексту БП), это прибор, преобразующий высокое напряжение 220 В из розетки в удобоваримые для компьютера значения и оснащенный необходимым набором разъемов для подключения комплектующих. Вроде бы ничего сложного, но открыв каталог , покупатель сталкивается с огромным числом различных моделей с кучей зачастую непонятных характеристик. Прежде, чем говорить о выборе конкретных моделей, разберем, какие характеристики являются ключевыми и на что стоит обращать внимание в первую очередь.

Основные параметры.

1. Форм-фактор . Для того, чтобы блок питания банально поместился в ваш корпус, вы должны определиться с форм-факторов, исходя из параметров самого корпуса системного блока . От форм-фактор зависят габариты БП по ширине, высоте и глубине. Большинство идут в форм-факторе ATX, для стандартных корпусов . В небольших системных блоков стандарта microATX, FlexATX, десктопов и других, устанавливаются блоки меньших размеров, такие как SFX , Flex-ATX и TFX .

Необходимый форм-фактор прописан в характеристиках корпуса, и именно по нему нужно ориентироваться при выборе БП.

2. Мощность. От мощности зависит, какие комплектующие вы сможете установить в ваш компьютер, и в каком количестве.
Важно знать! Цифра на блоке питания, это суммарная мощность по всем его линиям напряжений. Так как в компьютере основными потребителями электроэнергии являются центральный процессор и видеокарта, то основная питающая линия, это 12 В, когда есть еще 3,3 В и 5 В для питания некоторых узлов материнской платы, комплектующих в слотах расширения, питание накопителей и USB портов. Энергопотребление любого компьютера по линиям 3,3 и 5 В незначительно, по этому при выборе блока питания по мощности нужно всегда смотреть на характеристику "мощность по линии 12 В ", которая в идеале должна быть максимально приближена к суммарной мощности.

3. Разъемы для подключения комплектующих , от количества и набора которых зависит, сможете ли вы, к примеру, запитать многопроцессорную конфигурацию, подключить парочку или больше видеокарт, установить с десяток жестких дисков и так далее.
Основные разъемы, кроме ATX 24 pin , это:

Для питания процессора - это 4 pin или 8 pin коннекторы (последний может быть разборным и иметь запись 4+4 pin).

Для питания видеокарты - 6 pin или 8 pin коннекторы (8 pin чаще всего разборный и обозначается 6+2 pin).

Для подключения накопителей 15-pin SATA

Дополнительные:

4pin типа MOLEX для подключения устаревших HDD с IDE интерфейсом, аналогичных дисковых приводов и различных опциональных комплектующих, таких как реобасы, вентиляторы и прочее.

4-pin Floppy - для подключения дискетных приводов. Большая редкость в наши дни, поэтому такие разъемы чаще всего идут в виде переходников с MOLEX.

Дополнительные параметры

Дополнительные характеристики не так критичны, как основные, в вопросе: "Заработает ли этот БП с моим ПК?", но они так же являются ключевыми при выборе, т.к. влияют на эффективность блока, его уровень шума и удобство в подключении.

1. Сертификат 80 PLUS определяет эффективность работы БП, его КПД (коэффициент полезного действия). Список сертификатов 80 PLUS:

Их можно разделить на базовый 80 PLUS, крайний слева (белый), и цветные 80 PLUS, начиная от Bronze и заканчивая топовым Titanium.
Что такое КПД? Допустим, мы имеем дело с блоком, КПД которого 80% при максимальной нагрузке. Это означает, что на максимальной мощности БП будет потреблять из розетки на 20% больше энергии, и вся эта энергия будет преобразована в тепло.
Запомните одно простое правило: чем выше в иерархии сертификат 80 PLUS, тем выше КПД, а значит он будет меньше потреблять лишней электроэнергии, меньше греться, и, зачастую, меньше шуметь.
Для того, чтобы достичь наилучших показатель в КПД и получить "цветной" сертификат 80 PLUS, особенно высшего уровня, производители применяют весь свой арсенал технологий, наиболее эффективную схемотехнику и полупроводниковые компоненты с максимально низкими потерями. Поэтому значок 80 PLUS на корпусе говорит еще и о высокой надежности, долговечности блока питания, а так же серьезном подходе к созданию продукта в целом.

2. Тип системы охлаждения. Низкий уровень тепловыделения блоков питания с высоким КПД, позволяет применять бесшумные системы охлаждения. Это пассивные (где нет вентилятора вообще) , либо полупассивные системы , в которых вентилятор не вращается на небольших мощностях, и начинает работать, когда БП становится "жарко" в нагрузке.

При подборе БП стоит обратить внимание и на длину кабелей, основного ATX24 pin и кабеля питания CPU при установки в корпус с нижним расположением блока питания.

Для оптимальной прокладки питающих проводов за задней стенкой, они должны быть длиной как минимум от 60-65 см , в зависимости от размеров корпуса. Обязательно учтите этот момент, чтобы потом не возиться с удлинителями.
На количество MOLEX нужно обращаться внимание только если вы ищете замену для своего старого и допотопного системного блока с IDE накопителями и приводами, да еще и в солидном количестве, ведь даже у самых простых БП есть минимум пара-тройка стареньких MOLEX, а в более дорогих моделях их вообще десятки.

Надеюсь этот небольшой путеводитель по каталогу компании DNS поможет вам в столь сложном вопросе на начальном этапе вашего знакомства с блоками питания. Удачных покупок!

Блок питания предназначен для снабжения электрическим током всех компонентов компьютера. Он должен быть достаточно мощным и иметь небольшой запас, чтобы компьютер работал стабильно. Кроме того блок питания должен быть качественным, так как от него сильно зависит срок службы всех компонентов компьютера. Сэкономив 10-20$ на покупке качественного блока питания вы рискуете потерять системный блок стоимостью 200-1000$.

Мощность блока питания выбирается исходя из мощности компьютера, которая в основном зависит от энергопотребления процессора и видеокарты. Также нужно, чтобы блок питания имел сертификат хотя бы 80 Plus Standart. Оптимальными по соотношению цена/качество являются блоки питания Chieftec, Zalman и Thermaltake.

Для офисного компьютера (документы, интернет) вполне достаточно блока питания на 400 Вт, берите самый недорогой Chieftec или Zalman, не ошибетесь.
Блок питания Zalman LE II-ZM400

Для мультимедийного компьютера (фильмы, простые игры) и игрового компьютера начального класса (Core i3 или Ryzen 3 + GTX 1050 Ti) подойдет самый недорогой блок питания на 500-550 Вт от тех же Chieftec или Zalman, он будет иметь запас на случай установки более мощной видеокарты.
Блок питания Chieftec GPE-500S

Для игрового ПК среднего класса (Core i5 или Ryzen 5 + GTX 1060/1070 или RTX 2060) подойдет блок питания 600-650 Вт от Chieftec, если будет сертификат 80 Plus Bronze, то хорошо.
Блок питания Chieftec GPE-600S

Для мощного игрового или профессионального компьютера (Core i7 или Ryzen 7 + GTX 1080 или RTX 2070/2080) лучше взять блок питания мощностью 650-700 Вт от Chieftec или Thermaltake с сертификатом 80 Plus Bronze или Gold.
Блок питания Chieftec CPS-650S

2. Блок питания или корпус с блоком питания?

Если вы собираете профессиональный или мощный игровой компьютер, то блок питания рекомендуется выбирать отдельно. Если речь идет об офисном или обычном домашнем компьютере, то можно сэкономить и приобрести хороший корпус в комплекте с блоком питания, о чем речь пойдет .

3. Чем отличается хороший блок питания от плохого

Самые дешевые блоки питания (20-30$) по определению не могут быть хорошими, так как производители в этом случае экономят на всем чем только можно. Такие блоки питания имеют плохие радиаторы и много не распаянных элементов и перемычек на плате.

На этих местах должны быть конденсаторы и дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций напряжения. Именно из-за этих пульсаций происходит преждевременный выход их строя материнской платы, видеокарты, жесткого диска и других компонентов компьютера. Кроме того, такие блоки питания часто имеют маленькие радиаторы, из-за которых происходит перегрев и выход из строя самого блока питания.

Качественный блок питания имеет минимум не распаянных элементов и радиаторы большего размера, что можно заметить по плотности монтажа.

4. Производители блоков питания

Одни из лучших блоков питания производит компания SeaSonic, но они и самые дорогие.

Не так давно расширили ассортимент блоков питания хорошо известные бренды для энтузиастов Corsair и Zalman. Но самые бюджетные их модели имеют довольно слабую начинку.

Одними из лучших по соотношению цена/качество являются блоки питания AeroCool. В плотную к ним подбирается хорошо зарекомендовавший себя производитель кулеров DeepCool. Если вы не хотите переплачивать за дорогой бренд, но при этом получить качественный блок питания, обратите внимание на эти торговые марки.

Компания FSP производит блоки питания под разными брендами. Но дешевые БП под их собственной торговой маркой я бы не рекомендовал, они часто имеют короткие провода и мало разъемов. Топовые блоки питания FSP неплохи, но при этом стоят уже не дешевле именитых брендов.

Из тех брендов, которые известны в более узких кругах, можно отметить очень качественные и дорогие be quiet!, мощные и надежные Enermax, Fractal Design, чуть более дешевые, но качественные Cougar и хорошие, но недорогие HIPER как бюджетный вариант.

5. Мощность блока питания

Мощность – это основная характеристика блока питания. Мощность блока питания рассчитывается как сумма мощности всех компонентов компьютера + 30% (на пиковые нагрузки).

Для офисного компьютера вполне достаточно минимальной мощности блока питания 400 Ватт. Для мультимедийного компьютера (фильмы, простые игры) лучше взять блок питания на 500-550 Ватт, вдруг вы потом захотите поставить видеокарту. Для игрового компьютера с одной видеокартой желательно установить блок питания мощностью 600-650 Ватт. Для мощного игрового компьютера с несколькими видеокартами может потребоваться блок питания мощностью 750 Ватт и более.

5.1. Расчет мощности блока питания

• Процессор 25-220 Ватт (уточняйте на сайте продавца или производителя)
• Видеокарта 50-300 Ватт (уточняйте на сайте продавца или производителя)
• Материнская плата начального класса 50 Ватт, среднего класса 75 Ватт, высокого класса 100 Ватт
• Жесткий диск 12 Ватт
• SSD-диск 5 Ватт
• DVD-привод 35 Ватт
• Модуль памяти 3 Ватт
• Вентилятор 6 Ватт

Не забудьте добавить к сумме мощностей всех компонентов 30%, это обезопасит вас от неприятных ситуаций.

5.2. Программа для расчета мощности блока питания

Для более удобного расчета мощности блока питания существует прекрасная программа «Power Supply Calculator». Она также позволяет рассчитать необходимую мощность источника бесперебойного питания (ИБП или UPS).

Программа работает на всех версиях Windows с установленным «Microsoft .NET Framework» версии 3.5 или выше, который обычно уже установлен у большинства пользователей. Скачать программу «Power Supply Calculator» и если понадобится «Microsoft .NET Framework» вы можете в конце статьи в разделе « ».

6. Стандарт ATX

Современные блоки питания имеют стандарт ATX12V. Этот стандарт может быть нескольких версий. Современные блоки питания изготавливаются по стандартам ATX12V 2.3, 2.31, 2.4, которые и рекомендуются к приобретению.

7. Коррекция мощности

Современные блоки питания обладают функцией коррекции мощности (PFC), что позволяет им меньше потреблять энергии и меньше греться. Существует пассивная (PPFC) и активная (APFC) схема коррекции мощности. КПД блоков питания с пассивной коррекцией мощности достигает 70-75%, с активной – 80-95%. Рекомендую приобретать блоки питания с активной коррекцией мощности (APFC).

8. Сертификат 80 PLUS

Качественный блок питания обязательно должен иметь сертификат 80 PLUS. Эти сертификаты бывают разного уровня.

• Certified, Standard – блоки питания начального класса
• Bronze, Silver – блоки питания среднего класса
• Gold – блоки питания высокого класса
• Platinum, Titanium – топовые блоки питания

Чем выше уровень сертификата, тем выше качество стабилизации напряжения и другие параметры блока питания. Для офисного, мультимедийного или игрового компьютера среднего класса достаточно обычного сертификата. Для мощного игрового или профессионального компьютера желательно брать блок питания с бронзовым или серебряным сертификатом. Для компьютера с несколькими мощными видеокартами – с золотым или платиновым.

9. Размер вентилятора

Некоторые блоки питания все еще оснащаются вентилятором размером 80 мм.

Современный блок питания должен иметь вентилятор размером 120 или 140 мм.

10. Разъемы блока питания

	ATX (24-pin) — разъем питания материнской платы. На всех блоках питания есть 1 такой разъем.
	CPU (4-pin) — разъем питания процессора. На всех блоках питания есть 1 или 2 таких разъема. Некоторые материнские платы имеют 2 разъема питания процессора, но могут работать и от одного.
	SATA (15-pin) — разъем питания жестких дисков и оптических приводов. Желательно, что бы в блоке питания было несколько отдельных шлейфов с такими разъемами, так как одним шлейфом подключить жесткий диск и оптический привод будет проблематично. Поскольку на одном шлейфе может быть 2-3 разъема, блок питания должен иметь 4-6 таких разъемов.
	PCI-E (6+2-pin) — разъем питания видеокарты. Мощные видеокарты требуют 2 таких разъема. Для установки двух видеокарт необходимо 4 таких разъема.
	Molex (4-pin) — разъем питания устаревших жестких дисков, оптических приводов и некоторых других устройств. В принципе не требуется если у вас нет таких устройств, но все равно присутствует во многих блоках питания. Иногда таким разъемом может подаваться напряжение на подсветку корпуса, вентиляторы, платы расширения.
	Floppy (4-pin) — разъем питания дисковода. Сильно устарел, но его все еще можно встретить в блоках питания. Иногда им запитываются некоторые контроллеры (переходники).

Конфигурацию разъемов блоков питания уточняйте на сайте продавца или производителя.

11. Модульные блоки питания

В модульных блоках питания лишние кабели можно отстегнуть и они не будет мешаться в корпусе. Это удобно, но такие блоки питания стоят несколько дороже.

12. Настройка фильтров в интернет-магазине

1. Зайдите в раздел «Блоки питания» на сайте продавца.
2. Выберете рекомендуемых производителей.
3. Выберете необходимую мощность.
4. Задайте другие важные для вас параметры: стандарты, сертификаты, разъемы.
5. Последовательно просматривайте позиции, начиная с более дешевых.
6. При необходимости уточняйте конфигурацию разъемов и другие недостающие параметры на сайте производителя или другого интернет-магазина.
7. Покупайте первую подходящую по всем параметрам модель.

Таким образом, вы получите оптимальный по соотношению цена/качество блок питания, удовлетворяющий вашим требованиям за минимально возможную стоимость.

13. Ссылки

Блок питания Corsair CX650M 650W
Блок питания Thermaltake Smart Pro RGB Bronze 650W
Блок питания Zalman ZM600-GVM 600W