Блок питания для чего нужен простыми словами
Как работает блок питания компьютера
Содержание
Содержание
Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.
Линейные блоки питания
Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.
Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).
Импульсные блоки питания
Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.
Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.
В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.
Так выглядит плата вживую:
Фильтр
Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.
Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.
На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.
Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.
Корректор коэффициента мощности
Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).
Плюсы корректора:
1) Снижается нагрузка на сеть.
2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда).
3) Улучшение работы инвертора.
Минусы:
1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность.
2) Возможны проблемы при работе с UPS.
Преобразователь
Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.
Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.
В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.
Выпрямление и стабилизация выходных напряжений
По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:
1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.
Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:
Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:
2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.
3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.
4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.
Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.
Дежурный источник питания
Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.
Супервизор
Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.
Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.
Что такое блок питания.
Блок питания – это устройство, которое используется для создания напряжения, необходимого для работы компьютера, из напряжения домашней электросети. В России блок питания (в дальнейшем просто БП) преобразует переменный электрический ток домашней электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц в заданный постоянный ток. В разных странах стандарты домашней электросети отличаются. В США, к примеру, в дома обычных жителей подаётся переменный ток напряжением 120 В и частотой 60 Гц.
Для расчёта сопротивления проводника вы можете воспользоваться калькулятором расчета сопротивления проводника.
Виды блоков питания и их различия.
Существуют два основных вида блоков питания: трансформаторные и импульсные. Ниже будут рассмотрены их устройства и различия, а также преимущества и недостатки.
Трансформаторный блок питания и его устройство.
Этот вид блока питания является классическим и, одновременно, простейшим. Ниже представлена его схема с двухполероудным выпрямителем:
Важнейшим элементом этого вида БП является понижающий трансформатор (вместо которого может быть использован автотрансформатор). Первичная обводка этого элемента как раз и рассчитана на входящее сетевое напряжение. Ещё одна важная деталь такого БП – это выпрямитель. Он выполняет функцию преобразования переменного напряжения в однонаправленное и пульсирующее постоянное. В подавляющем большинстве случаев используются однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный. Первый состоит из одного диода, а последний из четырёх диодов, которые образуют диодный мост. В некоторых случаях могут использоваться и другие схемы этого элемента, например, в трёхфазных выпрямителях или выпрямителях с удвоенным напряжением. Последней важной деталью трансформаторного БП является фильтр, который сглаживает пульсации, создающиеся выпрямителем. Обычно эта деталь представлена конденсатором с большой ёмкостью.
Габариты трансформатора. Из базовых законов электротехники выводится следующая формула:
В этой формуле n – это число витков на 1 вольт, f – частота переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода, B – индукция магнитного поля в магнитопроводе.
Формула описывает не мгновенное значение, а амплитуду B!
Практически величина индукции магнитного поля (B) ограничена гистерезисом в сердечнике. Это приводит к перегревам трансформатора и потерям на перемагничивании.
Если частота переменного тока(f) равна 50 Гц, то изменяемыми параметрами при конструировании трансформатора остаются только S и n. На практике используется такая эвристика: n (в значении от 55 до 70) / S в см^2
Увеличение площади сечения магнитопровода (S) приводит к повышению габаритов и веса трансформатора. Если же понижать значение S то этим повышается значение n, что в трансформаторах небольшого размера приводит к снижению сечения провода (в противном случае обмотка не поместится на сердечнике)
При увеличении значения n и уменьшения площади сечения происходит значительное увеличении активного сопротивления обмотки. В трансформаторах с малой мощностью на это можно не обращать внимания, поскольку ток, проходящий через обмотку, невелик. Однако, при повышении мощности ток, проходящий через обмотку, увеличивается, а это вместе с высоким сопротивлением обмотки приводит к рассеиванию значительной тепловой мощности.
Всё вышесказанное приводит к тому, что стандартной частоте 50 Гц трансформатор большой мощности (необходимой для питания компьютера) может быть сконструирован только как устройство, имеющее большой вес и габариты.
В современных БП идут по другому пути – увеличивания значения f, которое достигается использованием импульсных блоков питания. Такие БП намного легче и в значительной степени меньше по габаритам, чем трансформаторные. Также импульсные БП не столь требовательны к входному напряжению и частоте.
Преимущества трансформаторных БП
Недостатки трансформаторных БП
Импульсный БП и его устройство.
Ниже представлена схема одноконтактного импульсного БП (эта схема является простейшей):
Фактически блоки питания импульсного вида являются инверторной системой. В этом БП входящая в него электроэнергия сначала выпрямляется (т. е. образуется постоянный электрический ток), а после этого преобразуется в прямоугольные импульсы определённой частоты и скважности. После этого эти прямоугольные импульсы на трансформатор (в случае если конструкция БП включает в себя гальваническую развязку) или же сразу на выходной ФНЧ (в случае если отсутствует гальваническая развязка). Из-за того, что в импульсных БП с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и в значительной степени снижается требование к сечению сердечника, в них могут применяться гораздо более малогабаритные трансформаторы чем в классических решениях.
В большинстве случаев сердечник трансформатора импульсного вида может быть выполнен из ферримагнитных материалов, в отличии от низкочастотных трансформаторах, в которых используется электротехническая сталь.
Стабилизация напряжения в импульсных блоках питания обеспечивается путём отрицательной обратной связи. Она позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне. Такая связь может быть сконструирована различными способами. В случае наличия в конструкции БП гальванической развязки чаще всего используют способ использования связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или же способ оптрона. Скважность на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигнала обратной связи, который, в свою очередь, зависит от выходного напряжения. В том случае, если развязка в БП не предусмотрена, используется обычный резистивный делитель напряжения. Благодаря этому импульсные блоки питания могут поддерживать стабильное выходное напряжение.
Достоинства импульсных БП.
Недостатки импульсных БП
Блок питания
Что такое блок питания
Блок питания — это какой-либо узел радиоэлектронного устройства, который обеспечивает необходимым питанием какое-либо устройство. Все вы знаете, что для работы радиоэлектронных устройств нужно питание, которые они получают извне. То есть все радиоэлектронные устройства так или иначе потребляют электрический ток. Каждому радиоэлектронному устройству требуется конкретное напряжение и мощность, поэтому, блоки питания «заточены» именно под конкретное устройство. Именно поэтому встречается огромное множество различных блоков питания и для каждого устройства оно свое.
Характеристики блока питания
Итак, каждый отдельный блок питания обладает своими характеристиками и параметрами. Ниже перечислим их основные параметры.
Тип выходного напряжения
В основном радиоэлектронные устройства питаются переменным и постоянным током. Поэтому, блоки питания могут выдавать переменное или постоянное напряжение. В большинстве случаев используется именно постоянное напряжение.
К блокам питания с постоянным выходным напряжением можно отнести компьютерные блоки питания
а также различные зарядные устройства для ваших гаджетов.
К блокам питания с переменным напряжением можно отнести трансформаторы
А также инверторы. Инверторы — это устройства, которые из постоянного напряжения делают переменное напряжение.
Выходное напряжение
Блок питания выдает какое-либо определенное напряжение, которое требуется для какого-либо конкретного устройства. Поэтому, самый главный параметр — это напряжение в Вольтах, которое выдает блок питания.
Например, для зарядки наших смартфонов требуется блок питания с постоянным напряжение в 5 Вольт, а для того, чтобы горела автомобильная лампочка, нам потребуется блок питания с напряжением в 12 Вольт.
Выходная мощность
Каждый блок питания наряду с выходным напряжением также должен уметь выдавать в нагрузку и требуемую силу тока. Хочу напомнить, что мощность постоянного тока рассчитывается по формуле P=IU, где P — это мощность, I — сила тока, U — напряжение. Следовательно, мощный блок питания должен уметь выдавать и большую силу тока, если от этого потребует нагрузка. Рассчитать максимальную силу тока, которую способен выдавать такой блок в нагрузку, вы можете по формуле I=P/U. Но чаще всего силу тока пишут также на самой этикетке блока питания.
Те, кто занимается компьютерами, знают, что на самом компьютерном блоке питания на этикетке написана мощность, которую может выдать блок питания. Поэтому, геймеры берут очень мощный блок питания, так как железо мощного компьютера потребляет очень много электрической энергии.
Трансформаторный блок питания
Трансформаторный блок питания уже почти не используется в современной электронике, так как состоит из громоздкого трансформатора, что делает такой блок питания тяжелым и крупногабаритным. Схема трансформаторного блока питания до боли простая.
На такой схеме в давние времена собирались почти все блоки питания во всем мире. Такая схема отличалась своей надежностью и неприхотливостью. Здесь мы видим трансформатор, диодный мост и конденсатор. Как работает эта схема, я писал еще в этой статье.
На базе этой схемы можно собрать себе самый простой блок питания с регулировкой от 1,2 Вольта и до 37 Вольт и с выходной силой тока до 1,5 Ампер. Его я описывал еще в этой статье.
схема самого простого блока питания
У меня он до сих пор лежит на рабочем столе и служит верой и правдой
Также этот же самый принцип я применил при сборке самого простого зарядного устройства для автомобиля. Подробнее можете ознакомиться по этой ссылке.
самая простая схема зарядного устройства для авто
Импульсный блок питания
Импульсный блок питания строится намного сложнее, но зато обладает также своими плюсами. Это меньшие массо-габаритные свойства, по сравнению с трансформаторным блоком питания. Но здесь также есть и свои минусы. Это большее количество радиоэлементов, по сравнению с трансформаторным блоком питания, а также могут быть шумы на выходе. Поэтому, качественные акустические системы и усилители питаются на трансформаторном блоке питания. Да, там есть некоторые пульсации, но их намного проще отфильтровать, чем высокочастотные шумы импульсного блока питания.
Хотя в импульсном блоке питания и имеются трансформаторы, но они здесь рассчитаны на высокую частоту, что делает их небольшими и недорогими.
Лабораторный блок питания
Лабораторный блок питания — это такое устройство, которые может выдавать значение напряжение в каком-либо диапазоне, который установит пользователь.
Мой лабораторник выглядит вот так.
Итак подробнее, обратите внимание на обозначение в правом верхнем углу. Там написано PS-1502DD. Как же расшифровать данную запись?
Описание лабораторного блока питания
PS — Power supply — что с английского означает «блок питания».
1502 — характеристики данного блока. Первые две цифры показывают максимальное напряжение которое может выдать этот блок, в нашем случае 15 вольт, а последние две цифры, это максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот блок, то есть 2 ампера. Под нагрузкой понимается либо лампочка, либо резистор, либо любое другое устройство, потребляющее электрическую энергию.
DD — цифровая индикация как для тока, так и для напряжения (ну те, два окошечка на блоке, на котором он показывает значения напряжения и тока).
Включение блока производится кнопкой «POWER». Справа окошко индикации напряжения. Там я выставил 8,5 вольт, а слева окошко индикации силы тока.
Крутилки слева направо:
Как применять в работе
Продемонстрируем работу блока питания на вентиляторе от компьютера. Вентилятор — это разновидность нагрузки, наряду с лампочками и резисторами. Как мы видим, на нем написано DC 12V 0,18А. Это значит, что для питания вентилятора нам требуется 12 Вольт. Пишут, что ток потребления этого вентилятора 0,18А или говоря русским языком, 180 миллиампер. Так ли это? А давайте проверим!
Выставляем 12 Вольт и цепляемся к вентилятору. Красный — плюс, черный — минус.
И он у нас начинает вращаться. Смотрим на показания. Ну да! Все сходится! Вентилятор у нас потребляет ровнехонько 180 миллиампер!
Хотелось бы отметить, что некоторые электронщики сами делают блоки питания для собственных нужд. Например, вот схемка простого блока питания, собранного лично мной.
Где купить лабораторный блок питания
Также вы всегда можете приобрести сразу готовый на Алиэкпрессе 30 Вольт 5 Ампер, что вполне хватит начинающему и среднему электронщику. Очень приятные отзывы вот у такого.
Также я находил очень неплохой по этой ссылке:
Выдает также 30 Вольт 5 Ампер.
В наших магазинах я встречал такие блоки с ценником только более 5000 руб.