Вторичные источники питания являются неотъемлемой частью конструкции любого радиоэлектронного устройства. Они предназначены для того, чтобы преобразовывать переменное или постоянное напряжение электросети или аккумулятора в постоянное или переменное напряжение, требуемое для работы устройства, это блоки питания.

Источники питания бывают не только включены в схему какого-либо устройства, но и могут выполнятся в виде отдельного блока и даже занимать целые цеха электроснабжения.

К блокам питания предъявляется несколько требований. Среди них: высокий КПД, высокое качество выходного напряжения, наличие защит, совместимость с сетью, небольшие размеры и масса и др.

Среди задач блока питания могут числится:

• Передача электрической мощности с минимумом потерь;
• Трансформация одного вида напряжения в другое;
• Формирование частоты отличной от частоты тока источника;
• Изменение величины напряжения;
• Стабилизация. Блок питания должен на выходе выдавать стабильный ток и напряжение. Эти параметры не должны превышать или быть ниже определенного предела;
• Защита от короткого замыкания и других неисправностей в источнике питания, которые могут привести к поломке устройства, которое обеспечивает блок питания;
• Гальваническая развязка. Метод защиты от протекания выравнивающих и других токов. Такие токи могут приводить к поломкам оборудования и поражать людей.

Но зачастую перед блоками питания в бытовых приборах стоят только две задачи – преобразовывать переменное электрическое напряжение в постоянное и преобразовывать частоту тока электросети.

Среди блоков питания наиболее распространены два типа. Они различаются по конструкции. Это линейные (трансформаторные) и импульсные блоки питания.

Линейные блоки питания

Изначально источники питания изготавливались только в таком виде. Напряжение в них преобразовывается силовым трансформатором. понижает амплитуду синусоидальной гармоники, которая затем выпрямляется диодным мостом (бывают схемы с одним диодом). преобразуют ток в пульсирующий. А далее пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра на конденсаторе. В конце ток стабилизируется с помощью .

Чтобы просто понять, что происходит, представьте себе синусоиду – именно так выглядит форма напряжения, поступающего в наш блок питания. Трансформатор как бы сплющивает эту синусоиду. Диодный мост горизонтально рубит ее пополам и переворачивает нижнюю часть синусоиды наверх. Уже получается постоянное, но все еще пульсирующее напряжение. Фильтр конденсатора доделывает работу и «прижимает» эту синусоиду до такой степени, что получается почти прямая линия, а это и есть постоянный ток. Примерно так, возможно, чересчур просто и грубо, можно описать работу линейного блока питания.

Плюсы и минусы линейных БП

К преимуществам относится простота устройства, его надежность и отсутствие высокочастотных помех в отличие от импульсных аналогов.

К недостаткам можно отнести большой вес и размер, увеличивающиеся пропорционально мощности устройства. Также триоды, идущие в конце схемы и стабилизирующие напряжение снижают КПД устройства. Чем стабильнее напряжение, тем большие его потери будут на выходе.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания такой конструкции появились в 60-ых годах прошлого века. Они работают по принципу инвертора. То есть, не только преобразуют постоянное напряжение в переменное, но и меняют его величину. Напряжение из электросети попадая в прибор выпрямляется входным выпрямителем. Затем амплитуда сглаживается входными конденсаторами. Получаются высокочастотные импульсы прямоугольной формы с определенным повторением и длительностью импульса.

Дальнейший путь импульсов зависит от конструкции блока питания:

• В блоках с гальванической развязкой импульс попадает в трансформатор.
• В БП без развязки импульс идет сразу на выходной фильтр, который срезает нижние частоты.

Импульсный БП с гальванической развязкой

Высокочастотные импульсы из конденсаторов попадают в трансформатор, который отделяет одну электрическую цепь от другой. В этом и заключается суть . Благодаря высокой частотности сигнала эффективность трансформатора повышается. Это позволяет снизить в импульсных БП массу трансформатора и его размеры, а, следовательно, и всего устройства. В в качестве сердечника используются ферромагнитные соединения. Это также позволяет снизить габариты устройства.

Конструкция такого типа предполагает преобразование тока в три этапа:

1. Широтно-импульсный модулятор;
2. Транзисторный каскад;
3. Импульсный трансформатор.

Что такое широтно-импульсный модулятор

По-другому этот преобразователь называется ШИМ-контроллер. Его задача состоит в том, чтобы изменять время, в течении которого будет подаваться импульс прямоугольной формы. меняет время, в течении которого импульс остается включенным. Он меняет время, в которое импульс не подается. Но частота подачи при этом остается одинаковой.

Как стабилизируется напряжение в импульсных БП

Во всех импульсных БП реализован вид обратной связи, при котором с помощью части выходного напряжения компенсируется влияние входного напряжения на систему. Это позволяет стабилизировать случайные входные и выходные изменения напряжения

В системах с гальванической развязкой для создания отрицательной обратной связи применяются . В БП без развязки обратная связь реализована делителем напряжения.

Плюсы и минусы импульсных БП

Из плюсов можно выделить меньшую массу и размеры. Высокий КПД, за счет снижения потерь, связанных с процессами перехода в электрических цепях. Меньшая цена в сравнении с линейными БП. Возможность использования одних и тех же БП в разных странах мира, где параметры электросети отличаются между собой. Наличие защиты от короткого замыкания.

Недостатками импульсных БП является их невозможность работы на слишком высоких или слишком низких нагрузках. Не подходят для отдельных видов точных устройств, поскольку создают радиопомехи.

Применение

Линейные блоки питания активно вытесняются их импульсными аналогами. Сейчас линейные БП можно встретить в стиральных машинах, СВЧ-печах, системах отопления.

Импульсные БП применяются почти везде: в компьютерной технике и телевизорах, в медицинской технике, в большинстве бытовых приборов, в оргтехнике.

Во всех современных компьютерах используются блоки питания стандарта ATX. Ранее использовались блоки питания стандарта AT, в них не было возможности удаленного запуска компьютера и некоторых схемотехнических решений. Введение нового стандарта было связано и с выпуском новых материнских плат. Компьютерная техника стремительно развивалась и развивается, поэтому возникла необходимость улучшения и расширения материнских плат. С 2001 года и был введен этот стандарт.

Давайте рассмотрим, как устроен компьютерный блок питания ATX.

Расположение элементов на плате

Для начала взгляните на картинку, на ней подписаны все узлы блока питания, далее мы кратко рассмотрим их предназначение.

А вот схема электрическая принципиальная, разбитая на блоки.

На входе блока питания стоит фильтр электромагнитных помех из дросселя и ёмкости (1 блок). В дешевых блоках питания его может не быть. Фильтр нужен для подавления помех в электропитающей сети возникших в результате работы .

Все импульсные блоки питания могут ухудшать параметры электропитающей сети, в ней появляются нежелательные помехи и гармоники, которые мешают работе радиопередающих устройств и прочего. Поэтому наличие входного фильтра крайне желательно, но товарищи из Китая так не считают, поэтому экономят на всём. Ниже вы видите блок питания без входного дросселя.

Дальше сетевое напряжение поступает на , через предохранитель и терморезистор (NTC), последний нужен для зарядки фильтрующих конденсаторов. После диодного моста установлен еще один фильтр, обычно это пара больших , будьте внимательны, на их выводах присутствует большое напряжение. Даже если блок питания выключен из сети следует предварительно их разрядить резистором или лампой накаливания, прежде чем трогать руками плату.

После сглаживающего фильтра напряжение поступает на схему импульсного блока питания она сложная на первый взгляд, но в ней нет ничего лишнего. В первую очередь запитывается источник дежурного напряжения (2 блок), он может быть выполнен по автогенераторной схеме, а может быть и на ШИМ-контроллере. Обычно - схема импульсного преобразователя на одном транзисторе (однотактный преобразователь), на выходе, после трансформатора, устанавливают линейный преобразователь напряжения (КРЕНку).

Типовая схема с ШИМ-контроллером выглядит примерно так:

Вот увеличенная версия схемы каскада из приведенного примера. Транзистор стоит в автогенераторной схеме, частота работы которой зависит от трансформатора и конденсаторов в его обвязке, выходное напряжение от номинала стабилитрона (в нашем случае 9В) который играет роль обратной связи или порогового элемента который шунтирует базу транзистора при достижении определенного напряжения. Оно дополнительно стабилизируется до уровня 5В, линейным интегральным стабилизатором последовательного типа L7805.

Дежурное напряжение нужно не только для формирования сигнала включения (PS_ON), но и для питания ШИМ-контроллера (блок 3). Компьютерные блоки пиатния ATX чаще всего построены на TL494 микросхеме или её аналогах. Этот блок отвечает за управление силовыми транзисторами (4 блок), стабилизацию напряжения (с помощью обратной связи), защиту от КЗ. Вообще 494 - это используется в импульсной технике очень часто, её можно встретить и в мощных блоках питания для светодиодных лент. Вот её распиновка.

Если вы планируете использовать компьютерный блок питания, например, для питания светодиодной ленты, будет лучше, если вы немного нагрузите линии 5В и 3.3В.

Заключение

Блоки питания ATX отлично подходят для питания радиолюбительских конструкций и как источник для домашней лаборатории. Они достаточно мощные (от 250, а современные от 350Вт), при этом можно найти на вторичном рынке за копейки, также подойдут и старые модели AT, для их запуска нужно лишь замкнуть два провода, которые раньше шли на кнопку системного блока, сигнала PS_On на них нет.

Если вы собрались ремонтировать или восстанавливать подобную технику, не забывайте о правилах безопасной работы с электричеством, о том, что на плате есть сетевое напряжение и конденсаторы могут оставаться заряженными долгое время.

Включайте неизвестные блоки питания через лампочку, чтобы не повредить проводку и дорожки печатной платы. При наличии базовых знаний электроники их можно переделать в мощное зарядное для автомобильных аккумуляторов или . Для этого изменяют цепи обратной связи, дорабатывают источник дежурного напряжения и цепи запуска блока.

Многие пользователи в погоне за высокой производительностью персонального компьютера забывают о главном элементе системного блока, который отвечает за качественное и своевременное предоставления электропитания всем компонентам внутри корпуса. Речь идёт о блоке питания, на который покупатели вообще не обращают внимания. А зря! Ведь все элементы в компьютере имеют определённые требования к электропитанию, несоблюдение которых приведёт к выходу из строя компонентов.

Из данной статьи читатель узнает, как подобрать блок питания для компьютера, а заодно и познакомится с продуктами известных брендов, которые признаются всеми тестовыми лабораториями мира. Советы для обычных пользователей и новичков, предоставленные экспертами в области ИТ-технологий, помогут определиться с выбором в магазине всем потенциальным покупателям.

Определение потребности

Прежде чем приступить к поиску достойного блока питания, всем пользователям необходимо определиться с потребляемой То есть сначала покупатель должен выбрать элементы системного блока (материнская плата, процессор, видеокарта, память, жёсткие диски и другие контроллеры). Каждый компонент системы в своей спецификации имеет требования к электропитанию (напряжение и сила тока, в редких случаях - потребляемая мощность). Естественно, покупателю придётся найти эти параметры, сложить их и сохранить результат, который в дальнейшем пригодится.

Неважно, какие действия проводятся пользователем: замена блока питания компьютера или приобретение элемента с новым ПК - расчёты нужно проводить в любом случае. На некоторых элементах таких как процессор и видеокарта, есть два требования к энергообеспечению: активное напряжение и пиковая нагрузка. Ориентироваться в расчётах нужно на максимальный параметр.

Пальцем в небо

Существует устойчивое мнение, что для ресурсоёмкой системы нужно выбирать самый мощный блок питания, который есть на витрине магазина. Такое решение имеет логику, но оно не состыковывается с рациональностью и экономией денежных средств, ведь чем выше мощность устройства, тем дороже оно стоит. Можно купить цена которого превышает стоимость всех элементов системы (30 000 рублей и выше), однако потребителю такое решение в дальнейшем обойдётся очень дорого.

Почему-то многие пользователи забывают о ежемесячном которая необходима для работы персонального компьютера. Естественно, чем мощнее блок питания, тем больше он расходует электричества. Экономным покупателям без расчётов не обойтись.

Стандарты и потери мощности

Чем больше, тем лучше

Многие эксперты в своих советах о том, как подобрать блок питания для компьютера, рекомендуют всем новичкам обратить внимание на количество разъёмов и кабелей - чем их больше в устройстве, тем эффективнее и надёжнее система электропитания. В этом есть логика, ведь заводы-изготовители перед выпуском продукции на рынок производят тестирование. Если мощность блока низкая, то нет смысла её обеспечивать большим количеством кабелей, ведь они всё равно будут незадействованными.

Правда, в последнее время многие нерадивые производители идут на хитрость и предоставляют покупателю большой хомут проводов в низкокачественном устройстве. Тут уже нужно ориентироваться на другие показатели эффективности элемента питания (вес, толщина стенок, система охлаждения, наличие кнопок, качество изготовления разъёмов). Кстати, перед тем как подключить блок питания к компьютеру, рекомендуется визуально осмотреть все контакты, идущие от головного устройства, и убедиться, что они нигде не пересекаются (речь идёт о дешёвых представителях рынка).

Лидер продаж

Специализирующаяся на производстве элементов питания компания Seasonic известна во всём мире. Это один из немногих брендов на рынке, который под своим логотипом продаёт продукцию собственного производства. Для сравнения: известный производитель компьютерных элементов - компания Corsair - не имеет собственных заводов по изготовлению блоков питания и приобретает готовую продукцию у Seasonic, оснащая её собственными логотипами. Поэтому перед тем как подобрать блок питания для компьютера, пользователю предстоит поближе познакомиться с брендами.

Собственные заводы по производству элементов питания есть у Seasonic, Chieftec, Thermaltake и Zalman. Продукция под известным брендом FSP собирается из запчастей, производимых на заводе Fractal Design (кстати, они тоже с недавних пор появились на рынке).

Кому отдать предпочтение?

Позолоченные разъемы блока питания компьютера - это хорошо, вот только есть ли смысл переплачивать за такой функционал, ведь из законов физики доподлинно известно, что ток лучше передаётся между однородными металлами? А ведь именно компания Thermaltake и предлагает пользователям такое решение. Что касается остальных продуктов известного американского бренда, то они безукоризненны. В средствах массовой информации нет ни одного серьезного негативного отклика от пользователей о данном производителе.

На полку к доверенным продуктам попали бренды Corsair, Aercool, FSP, Zalman, Seasonic, Be quiet, Chieftec (Gold серия) и Fractal Design. Кстати, в тестовых лабораториях профессионалы и энтузиасты проверяют мощность и выполняют разгон системы с блоками питания, указанными выше.

В заключение

Как показывает практика, выбрать достойный блок питания для персонального компьютера непросто. Дело в том, что многие производители для привлечения покупателей идут на всевозможные уловки: удешевляют производство, украшают устройство в урон эффективности, представляют описание, несоответствующее действительности. Механизмов обмана много, их все не перечислить. Поэтому перед тем как подобрать блок питания для компьютера, пользователь обязан изучить рынок, ознакомиться со всеми характеристиками устройства и обязательно найти положительные отзывы о продукте от реальных владельцев.

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

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.