Технология ремонта блока питания компьютера своими руками. Atx блок питания - схема

Схемотехника компьютерных блоков питания

Схемы для компьютеров

Р. АЛЕКСАНДРОВ, г. Малоярославец Калужской обл.
Радио, 2002 год, № 5, 6, 8

ИБП бытовых компьютеров рассчитаны на работу от сети однофазного переменного тока (110/230 В, 60 Гц ≈ импортные, 127/220 В, 50 Гц ≈ отечественного производства). Поскольку сеть 220 В, 50 Гц в России общепринята, проблемы выбора блока на нужное сетевое напряжение не существует. Нужно лишь убедиться, что переключатель сетевого напряжения на блоке (если он имеется) установлен в положение 220 или 230 В. Отсутствие переключателя говорит о том, что блок способен работать в обозначенном на его этикетке интервале сетевых напряжений без каких-либо переключений. ИБП, рассчитанные на частоту 60 Гц, безупречно работают в сети 50 Гц.

К системным платам формата AT ИБП подключают двумя жгутами проводов с розетками Р8 и Р9, показанными на рис. 1 (вид со стороны гнезд). Указанные в скобках цвета проводов стандартны, хотя не все изготовители ИБП их строго соблюдают. Чтобы правильно сориентировать розетки при подключении к вилкам системной платы, существует простое правило: четыре черных провода (цепь GND), подходящие к обеим розеткам, должны быть расположены рядом.

Основные цепи питания системных плат формата АТХ сосредоточены в разъеме, показанном на рис. 2. Как и в предыдущем случае, вид со стороны гнезд розетки. ИБП этого формата имеют вход дистанционного управления (цепь PS-ON), при соединении которого с общим проводом (цепью СОМ ≈ "common", эквивалентом GND) включенный в сеть блок начинает работать. Если цепь PS-ON≈СОМ разорвана, напряжения на выходах ИБП отсутствуют, за исключением "дежурных" +5 В в цепи +5VSB. В этом режиме потребляемая от сети мощность очень незначительна.

ИБП формата АТХ бывают снабжены дополнительной выходной розеткой, показанной на рис. 3 . Назначение ее цепей следующее:

FanM ≈ выход датчика скорости вращения вентилятора, охлаждающего ИБП (два импульса на один оборот);
FanC ≈ аналоговый (0...12 В) вход управления скоростью вращения этого вентилятора. Если этот вход отключен от внешних цепей или на него подано постоянное напряжение более 10 В, производительность вентилятора максимальна;
3.3V Sense ≈ вход сигнала обратной связи стабилизатора напряжения +3,3 В. Его соединяют отдельным проводом непосредственно с выводами питания микросхем на системной плате, что позволяет скомпенсировать падение напряжения на подводящих проводах. Если дополнительная розетка отсутствует, эта цепь бывает выведена на гнездо 11 основной розетки (см. рис. 2);
1394R ≈ минус изолированного от общего провода источника напряжения 8...48 В для питания цепей интерфейса IEEE-1394;
1394V ≈ плюс того же источника.

ИБП любого формата обязательно снабжают несколькими розетками для питания дисководов и некоторых других периферийных устройств компьютера.

Каждый "компьютерный" ИБП выдает логический сигнал, называемый R G. (Power Good) в блоках AT или PW-OK (Power OK) в блоках АТХ, высокий уровень которого свидетельствует, что все выходные напряжения находятся в допустимых пределах. На "материнской" плате компьютера этот сигнал участвует в формировании сигнала системного сброса (Reset). После включения ИБП уровень сигнала RG. (PW-OK) некоторое время остается низким, запрещая работу процессора, пока в цепях питания не завершатся переходные процессы.

При отключении сетевого напряжения или внезапно возникшей неисправности ИБП логический уровень сигнала P. G. (PW-OK) изменяется прежде, чем выходные напряжения блока упадут ниже допустимых значений. Это вызывает остановку процессора, предотвращает искажение данных, хранящихся в памяти, и другие необратимые операции.

Взаимозаменяемость ИБП можно оценить по следующим критериям.

Число выходных напряжений для питания IBM PC формата AT должно быть не менее четырех (+12 В, +5 В, -5 В и -12 В). Максимальный и минимальный выходные токи регламентируют отдельно для каждого канала. Их обычные значения для источников различной мощности приведены в табл. 1 . Компьютерам формата АТХ дополнительно необходимы +3,3 В и некоторые другие напряжения (о них было сказано выше).

Учтите, что нормальная работа блока при нагрузке меньше минимальной не гарантирована, а иногда такой режим просто опасен. Поэтому включать ИБП без нагрузки в сеть (например, для проверки) не рекомендуется.

Мощность блока питания (суммарная по всем выходным напряжениям) в полностью укомплектованном периферийными устройствами бытовом ПК должна быть не менее 200 Вт. Практически необходимо иметь 230...250 Вт, а при установке дополнительных "винчестеров" и приводов CD-ROM может потребоваться и больше. Сбои в работе ПК, особенно возникающие в моменты включения электродвигателей упомянутых устройств, нередко связаны именно с перегрузкой блока питания. Компьютеры, используемые в качестве серверов информационных сетей, потребляют до 350 Вт. ИБП небольшой мощности (40... 160 Вт) применяют в специализированных, например, управляющих компьютерах с ограниченным набором периферии.

Объем , занимаемый ИБП, обычно растет за счет увеличения его длины в сторону передней панели ПК. Установочные размеры и точки крепления блока в корпусе компьютера остаются неизменными. Поэтому любой (за редкими исключениями) блок удастся установить на место отказавшего.

Основой большинства ИБП служит двухтактный полумостовой инвертор, работающий на частоте в несколько десятков килогерц. Напряжение питания инвертора (приблизительно 300 В) ≈ выпрямленное и сглаженное сетевое. Собственно инвертор состоит из узла управления (генератора импульсов с промежуточным каскадом усиления мощности) и мощного выходного каскада. Последний нагружен на высокочастотный силовой трансформатор. Выходные напряжения получают с помощью выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам этого трансформатора. Стабилизация напряжений производится с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) импульсов, генерируемых инвертором. Обычно стабилизирующей ОС охвачен лишь один выходной канал, как правило, +5 или +3,3 В. В результате напряжения на других выходах не зависят от напряжения в сети, но остаются подверженными влиянию нагрузки. Иногда их дополнительно стабилизируют с помощью обычных микросхем-стабилизаторов.

СЕТЕВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

В большинстве случаев этот узел выполняют по схеме, подобной показанной на рис. 4 , различия лишь в типе выпрямительного моста VD1 и большем или меньшем числе защитных и предохранительных элементов. Иногда мост собран из отдельных диодов. При разомкнутом выключателе S1, что соответствует питанию блока от сети 220...230 В, выпрямитель ≈ мостовой, напряжение на его выходе (соединенных последовательно конденсаторах С4, С5) близко к амплитуде сетевого. При питании от сети 110... 127 В, замкнув контакты выключателя, превращают устройство в выпрямитель с удвоением напряжения и получают на его выходе постоянное напряжение, вдвое большее амплитуды сетевого. Подобное переключение предусматривают в ИБП, стабилизаторы которых удерживают выходные напряжения в допустимых пределах лишь при отклонении сетевого на 20%. Блоки с более эффективной стабилизацией способны работать при любом сетевом напряжении (как правило, от 90 до 260 В) без переключения.

Резисторы R1, R4 и R5 предназначены для разрядки конденсаторов выпрямителя после его отключения от сети, а С4 и С5, кроме того, выравнивают напряжения на конденсаторах С4 и С5. Терморезистор R2 с отрицательным температурным коэффициентом ограничивает амплитуду броска тока зарядки конденсаторов С4, С5 в момент включения блока. Затем в результате саморазогрева его сопротивление падает, и он практически не влияет на работу выпрямителя. Варистор R3 с классификационным напряжением больше максимальной амплитуды сетевого защищает от выбросов последнего. К сожалению, этот варистор бесполезен при случайном включении блока с замкнутым выключателем S1 в сеть 220 В. От тяжелых последствий этого спасает замена резисторов R4, R5 варисторами с классификационным напряжением 180...220 В, пробой которых влечет за собой сгорание плавкой вставки FU1. Иногда варисторы подключают параллельно указанным резисторам или только одному из них.

Конденсаторы С1 ≈ СЗ и двухобмо-точный дроссель L1 образуют фильтр, защищающий компьютер от проникновения помех из сети, а сеть ≈ от помех, создаваемых компьютером. Через конденсаторы С1 и СЗ корпус компьютера связан по переменному току с проводами сети. Поэтому напряжение прикосновения к незаземленному компьютеру может достигать половины сетевого. Это не опасно для жизни, так как реактивное сопротивление конденсаторов достаточно велико, но нередко приводит к выходу из строя интерфейсных цепей в момент подключения к компьютеру периферийных устройств.

МОЩНЫЙ КАСКАД ИНВЕРТОРА

На рис. 5 показана часть схемы распространенного ИБП GT-150W. Импульсы, сформированные узлом управления, через трансформатор Т1 поступают на базы транзисторов VT1 и VT2, поочередно открывая их. Диоды VD4, VD5 защищают транзисторы от напряжения обратной полярности. Конденсаторы С6 и С7 соответствуют С4 и С5 в выпрямителе (см. рис. 4). Напряжения вторичных обмоток трансформатора Т2 выпрямляют для получения выходных. Один из выпрямителей (VD6, VD7 с фильтром L1C5) показан на схеме.

Большинство мощных каскадов ИБП отличаются от рассмотренного лишь типами транзисторов, которые могут быть, например, полевыми или содержать встроенные защитные диоды. Существует несколько вариантов исполнения базовых цепей (для биполярных) или цепей затвора (для полевых транзисторов) с разным числом, номиналами и схемами включения элементов. Например, резисторы R4, R6 могут быть подключены непосредственно к базам соответствующих транзисторов.

В установившемся режиме узел управления инвертором питают выходным напряжением ИБП, но в момент включения оно отсутствует. Существуют два основных способа получить необходимое для пуска инвертора напряжение питания. Первый из них реализован в рассматриваемой схеме (рис. 5). Сразу после включения блока выпрямленное сетевое напряжение поступает через резистивный делитель R3 ≈ R6 в базовые цепи транзисторов VT1 и\/Т2, приоткрывая их, причем диоды VD1 и VD2 предотвращают шунтирование участков база-эмиттер транзисторов обмотками II и III трансформатора Т1. В это же время происходит зарядка конденсаторов С4, С6 и С7, причем ток зарядки конденсатора С4, протекая по обмотке I трансформатора Т2 и по части обмотки II трансформатора Т1, наводит в обмотках II и III последнего напряжение, открывающее один из транзисторов и закрывающее другой. Какой из транзисторов закроется, а какой ≈ откроется, зависит от асимметрии характеристик элементов каскада.

В результате действия положительной ОС процесс протекает лавинообразно, а наведенный в обмотке II трансформатора Т2 импульс через один из диодов VD6, VD7, резистор R9 и диод VD3 заряжает конденсатор СЗ до напряжения, достаточного для начала работы узла управления. В дальнейшем он питается по той же цепи, а выпрямленное диодами VD6, VD7 напряжение после сглаживания фильтром L1C5 поступает на выход+12 В ИБП.

Вариант цепей начального запуска, использованный в ИБП LPS-02-150XT, отличается только тем, что напряжение на делитель, аналогичный R3 ≈ R6 (рис. 5), подают от отдельного однополупериодного выпрямителя сетевого напряжения с конденсатором фильтра небольшой емкости. В результате транзисторы инвертора приоткрываются раньше, чем зарядятся конденсаторы фильтра основного выпрямителя (С6, С7, см. рис. 5), что обеспечивает более уверенный запуск.

Второй способ питания узла управления во время пуска предусматривает наличие специального понижающего трансформатора небольшой мощности с выпрямителем, как показано на схеме рис. 6 , примененной в ИБП PS-200B.

Число витков вторичной обмотки трансформатора выбрано таким образом, чтобы выпрямленное напряжение было немного меньшим выходного в канале +12 В блока, но достаточным для работы узла управления. Когда выходное напряжение ИБП достигает номинала, диод VD5 открывается, диоды моста VD1 ≈ VD4 остаются закрытыми в течение всего периода переменного напряжения и узел управления переходит на питание выходным напряжением инвертора, не потребляя больше энергии от "пускового" трансформатора.

В мощных каскадах инверторов, запускаемых таким образом, необходимость в начальном смещении на базах транзисторов и положительной обратной связи отсутствует. Поэтому не требуется резисторов R3, R5, диоды VD1, VD2 заменяют перемычками, а обмотку II трансформатора Т1 выполняют без отвода (см. рис. 5).

ВЫХОДНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

На рис. 7 показана типовая схема четырехканального выпрямительного узла ИБП. Чтобы не нарушать симметрии пе-ремагничивания магнитопровода силового трансформатора выпрямители строят только по двухполупериодным схемам, причем мостовые выпрямители, для которых характерны повышенные потери, почти не применяют. Главная особенность выпрямителей в ИБП ≈ сглаживающие фильтры, начинающиеся с индуктивности (дросселя). Напряжение на выходе выпрямителя с подобным фильтром зависит не только от амплитуды, но и от скважности (отношения длительности к периоду повторения) поступающих на вход импульсов. Это дает возможность стабилизировать выходное напряжение, изменяя скважность входного. Применяемые во многих других случаях выпрямители с фильтрами, начинающимися с конденсатора, подобным свойством не обладают. Процесс изменения скважности импульсов обычно называют ШИМ ≈ широтно-импульсной модуляцией (англ. PWM ≈ Pulse Width Modulation).

Так как амплитуда импульсов, пропорциональная напряжению в питающей сети, на входах всех имеющихся в блоке выпрямителей изменяется по одинаковому закону, стабилизация с помощью ШИМ одного из выходных напряжений стабилизирует и все остальные. Чтобы усилить этот эффект, дроссели фильтров L1.1 ≈ L1.4 всех выпрямителей намотаны на общем магнитопроводе. Магнитная связь между ними дополнительно синхронизирует происходящие в выпрямителях процессы.

Для правильной работы выпрямителя с L-фильтром необходимо, чтобы ток его нагрузки превышал некоторое минимальное значение, зависящее от индуктивности дросселя фильтра и частоты импульсов. Эту начальную нагрузку создают резисторы R4 ≈ R7, подключенные параллельно выходным конденсаторам С5 ≈ С8. Они же служат для ускорения разрядки конденсаторов после выключения ИБП.

Иногда напряжение -5 В получают без отдельного выпрямителя из напряжения -12 В с помощью интегрального стабилизатора серии 7905. Отечественные аналоги ≈ микросхемы КР1162ЕН5А, КР1179ЕН05. Ток, потребляемый узлами компьютера по этой цепи, обычно не превышает нескольких сотен миллиампер.

В некоторых случаях интегральные стабилизаторы устанавливают и в других каналах ИБП. Это решение исключает влияние изменяющейся нагрузки на выходные напряжения, но снижает КПД блока и по этой причине применяется только в сравнительно маломощных каналах. Примером может служить схема узла выпрямителей ИБП PS-6220C, показанная на рис. 8 . Диоды VD7 ≈ VD10 ≈ защитные.

Как и в большинстве других блоков, здесь в выпрямителе напряжения +5 В установлены диоды с барьером Шоттки (сборка VD6), отличающиеся меньшими, чем у обычных диодов падением напряжения в прямом направлении и временем восстановления обратного сопротивления. Оба этих фактора благоприятны для увеличения КПД. К сожалению, сравнительно низкое допустимое обратное напряжение не позволяет применять диоды Шоттки и в канале +12 В. Однако в рассматриваемом узле эта проблема решена последовательным соединением двух выпрямителей: к 5 В недостающие 7 В добавляет выпрямитель на сборке диодов Шоттки VD5.

Для устранения опасных для диодов выбросов напряжения, возникающих в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, предусмотрены демпфирующие цепи R1C1, R2C2, R3C3 и R4C4.

УЗЕЛ УПРАВЛЕНИЯ

В большинстве "компьютерных" ИБП этот узел построен на базе микросхемы ШИМ-контроллера TL494CN (отечественный аналог ≈ КР1114ЕУ4) или ее модификаций. Основная часть схемы подобного узла ≈ на рис. 9 , на ней показаны и элементы внутреннего устройства упомянутой микросхемы.

Генератор пилообразного напряжения G1 служит задающим. Его частота зависит от номиналов внешних элементов R8 и СЗ. Генерируемое напряжение поступает на два компаратора (A3 и А4), выходные импульсы которых суммирует элемент ИЛИ D1. Далее импульсы через элементы ИЛИ-НЕ D5 и D6 подают на выходные транзисторы микросхемы (V3, V4). Импульсы с выхода элемента D1 поступают также на счетный вход триггера D2, и каждый из них изменяет состояние триггера. Таким образом, если на вывод 13 микросхемы подана лог. 1 или он, как в рассматриваемом случае, оставлен свободным, импульсы на выходах элементов D5 и D6 чередуются, что и необходимо для управления двухтактным инвертором. Если микросхему TL494 применяют в однотактном преобразователе напряжения, вывод 13 соединяют с общим проводом, в результате триггер D2 больше не участвует в работе, а импульсы на всех выходах появляются одновременно.

Элемент А1 ≈ усилитель сигнала ошибки в контуре стабилизации выходного напряжения ИБП. Это напряжение (в рассматриваемом случае ≈ +5 В) через резистивный делитель R1R2 поступает на один из входов усилителя. На втором его входе ≈ образцовое напряжение, полученное от встроенного в микросхему стабилизатора А5 с помощью резистивного делителя R3 ≈ R5. Напряжение на выходе А1, пропорциональное разности входных, задает порог срабатывания компаратора А4 и, следовательно, скважность импульсов на его выходе. Так как выходное напряжение ИБП зависит от скважности (см. выше), в замкнутой системе автоматически поддерживается его равенство образцовому с учетом коэффициента деления R1R2. Цепь R7C2 необходима для устойчивости стабилизатора. Второй усилитель (А2) в данном случае от ключей подачей соответствующих напряжений на его входы и в работе не участвует.

Функция компаратора A3 ≈ гарантировать наличие паузы между импульсами на выходе элемента D1, даже если выходное напряжение усилителя А1 вышло за допустимые пределы. Минимальный порог срабатывания A3 (при соединении вывода 4 с общим проводом) задан внутренним источником напряжения GV1. С увеличением напряжения на выводе 4 минимальная длительность паузы растет, следовательно, максимальное выходное напряжение ИБП падает.

Этим свойством пользуются для плавного пуска ИБП. Дело в том, что в начальный момент работы блока конденсаторы фильтров его выпрямителей полностью разряжены, что эквивалентно замыканию выходов на общий провод. Пуск инвертора сразу же "на полную мощность" приведет к огромной перегрузке транзисторов мощного каскада и возможному выходу их из строя. Цепь C1R6 обеспечивает плавный, без перегрузок, пуск инвертора.

В первый после включения момент конденсатор С1 разряжен, а напряжение на выводе 4 DA1 близко к +5 В, получаемым от стабилизатора А5. Это гарантирует паузу максимально возможной длительности, вплоть до полного отсутствия импульсов на выходе микросхемы. По мере зарядки конденсатора С1 через резистор R6 напряжение на выводе 4 уменьшается, а с ним и длительность паузы. Одновременно растет выходное напряжение ИБП. Так продолжается, пока оно не приблизится к образцовому и не вступит в действие стабилизирующая обратная связь. Дальнейшая зарядка конденсатора С1 на процессы в ИБП не влияет. Так как перед каждым включением ИБП конденсатор С1 должен быть полностью разряжен, во многих случаях предусматривают цепи его принудительной разрядки (на рис. 9 не показаны).

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД

Задача этого каскада ≈ усиление импульсов перед их подачей на мощные транзисторы. Иногда промежуточный каскад отсутствует как самостоятельный узел, входя в состав микросхемы задающего генератора. Схема такого каскада, примененного в ИБП PS-200B, показана на рис. 10 . Согласующий трансформатор Т1 здесь соответствует одноименному на рис. 5.

В ИБП APPIS использован промежуточный каскад по схеме, приведенной на рис. 11 , отличающийся от рассмотренного выше наличием двух согласующих трансформаторов Т1 и Т2 ≈ отдельно для каждого мощного транзистора. Полярность включения обмоток трансформаторов такова, что транзистор промежуточного каскада и связанный с ним мощный транзистор находятся в открытом состоянии одновременно. Если не принять специальных мер, через несколько тактов работы инвертора накопление энергии в магнитопроводах трансформаторов приведет к насыщению последних и значительному уменьшению индуктивности обмоток.

Рассмотрим, как решается эта проблема, на примере одной из "половин" промежуточного каскада с трансформатором Т1. При открытом транзисторе микросхемы обмотка Ia подключена к источнику питания и общему проводу. Через нее течет линейно нарастающий ток. В обмотке II наводится положительное напряжение, поступающее в базовую цепь мощного транзистора и открывающее его. Когда транзистор в микросхеме будет закрыт, ток в обмотке Iа прервется. Но магнитный поток в магнитопроводе трансформатора не может измениться мгновенно, поэтому в обмотке Iб возникнет линейно спадающий ток, текущий через открывшийся диод VD1 от общего провода к плюсу источника питания. Таким образом энергия, накопленная в магнитном поле в течение импульса, в паузе возвращается в источник. Напряжение на обмотке II во время паузы ≈ отрицательное, и мощный транзистор закрыт. Аналогичным образом, но в противофазе, работает вторая "половина" каскада с трансформатором Т2.

Наличие в магнитопроводах пульсирующих магнитных потоков с постоянной составляющей приводит к необходимости увеличивать массу и объем трансформаторов Т1 и Т2. В целом промежуточный каскад с двумя трансформаторами не очень удачен, хотя он и получил довольно широкое распространение.

Если мощности транзисторов микросхемы TL494CN недостаточно для непосредственного управления выходным каскадом инвертора, применяют схему, подобную приведенной на рис. 12 , где изображен промежуточный каскад ИБП KYP-150W. Половины обмотки I трансформатора Т1 служат коллекторными нагрузками транзисторов VT1 и VT2, поочередно открываемых импульсами, поступающими от микросхемы DA1. Резистор R5 ограничивает коллекторный ток транзисторов приблизительно до 20 мА. С помощью диодов VD1, VD2 и конденсатора С1 на эммитерах транзисторов VT1 и VT2 поддерживают необходимое для их надежного закрывания напряжение +1,6 В. Диоды VD4 и VD5 демпфируют колебания, возникающие в моменты переключения транзисторов в контуре, образованном индуктивностью обмотки I трансформатора Т1 и ее собственной емкостью. Диод VD3 закрывается, если выброс напряжения на среднем выводе обмотки I превышает напряжение питания каскада.

Еще один вариант схемы промежуточного каскада (ИБП ESP-1003R) показан на рис. 13. В данном случае выходные транзисторы микросхемы DA1 включены по схеме с общим коллектором. Конденсаторы С1 и С2 ≈ форсирующие. Обмотка I трансформатора Т1 не имеет среднего вывода. В зависимости от того, какой из транзисторов VT1, VT2 в данный момент открыт, цепь обмотки замыкается на источник питания через резистор R7 или R8, подключенный к коллектору закрытого транзистора.

ПОИСК И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Прежде чем ремонтировать ИБП, его необходимо извлечь из системного блока компьютера. Для этого отключают компьютер от сети, вынув вилку из розетки. Вскрыв корпус компьютера, освобождают все разъемы ИБП и, отвернув четыре винта на задней стенке системного блока, вынимают ИБП. Затем снимают П-образную крышку корпуса ИБП, отвернув крепящие ее винты. Печатную плату можно извлечь, отвернув три винта-"самореза", которыми она закреплена. Особенность плат многих ИБП в том, что печатный проводник общего провода разделен на две части, которые соединяются между собой лишь через металлический корпус блока. На извлеченной из корпуса плате эти части необходимо соединить навесным проводником.

Если блок питания был отключен от сети питания менее получаса назад, необходимо найти на плате и разрядить оксидные конденсаторы 220 или 470 мкФ х 250 В (это самые большие конденсаторы в блоке). В процессе ремонта эту операцию рекомендуется повторять после каждого отключения блока от сети либо временно зашунтировать конденсаторы резисторами 100...200 кОм мощностью не менее 1 Вт.

В первую очередь осматривают детали ИБП и выявляют явно неисправные, например, сгоревшие или с трещинами в корпусе. Если выход блока из строя был вызван неисправностью вентилятора, следует проверить элементы, установленные на теплоотводах: мощные транзисторы инвертора и сборки диодов Шотки выходных выпрямителей. При "взрыве" оксидных конденсаторов происходит разбрызгивание их электролита по всему блоку. Во избежание окисления металлических токоведущих частей необходимо смыть электролит слабощелочным раствором (например, разведя средство "Fairy" водой в соотношении 1:50).

Включив блок в сеть, прежде всего следует измерить все его выходные напряжения. Если окажется, что хотя бы в одном из выходных каналов напряжение близко к номинальному значению, неисправность следует искать в выходных цепях неисправных каналов. Однако, как показывает практика, выходные цепи редко выходят из строя.

В случае нарушения работы всех каналов методика определения неисправностей следующая. Измеряют напряжение между плюсовым выводом конденсатора С4 и минусовым С5 (см. рис. 4) или коллектором транзистора VT1 и эмиттером VT2 (см. рис. 5) Если измеренное значение существенно меньше 310 В, нужно проверить и при необходимости заменить диодный мост VD1 (см. рис. 4) или отдельные составляющие его диоды. Если выпрямленное напряжение в норме, а блок не работает, скорее всего, отказал один или оба транзистора мощного каскада инвертора (VT1, VT2, см. рис. 5), которые подвержены наибольшим тепловым перегрузкам. При исправных транзисторах остается проверить микросхему TL494CN и связанные с ней цепи.

Отказавшие транзисторы допускается заменять отечественными или импортными аналогами, подходящими по электрическим параметрам, габаритным и установочным размерам, руководствуясь данными, приведенными в табл. 2. Замену диодам подбирают по табл. 3.

Выпрямительные диоды сетевого выпрямителя (см. рис. 4) можно с успехом заменить отечественными КД226Г, КД226Д. Если в сетевом выпрямителе установлены конденсаторы емкостью 220 мкФ, желательно их заменить на 470 мкФ, место для этого на плате обычно предусмотрено. Для снижения помех рекомендуется каждый из четырех выпрямительных диодов зашунтировать конденсатором 1000 пФ на напряжение 400...450 В.

Транзисторы 2SC3039 можно заменить отечественными КТ872А. А вот демпфирующий диод PXPR1001 взамен отказавшего трудно приобрести даже в больших городах. В этой ситуации можно воспользоваться тремя соединенными последовательно диодами КД226Г или КД226Д. Существует возможность взамен отказавшего диода и защищенного им мощного транзистора установить транзистор со встроенным демпфирующим диодом, например, 2SD2333, 2SD1876, 2SD1877 или 2SD1554. Следует заметить, что во многих выпущенных после 1998 г. ИБП такая замена уже произведена.

Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)

Для повышения надежности работы ИЭП можно рекомендовать параллельно резисторам R7 и R8 (см. рис. 5) подключить дроссели индуктивностью по 4 мкГн. Их можно намотать проводом диаметром не менее 0,15 мм в шелковой изоляции на любых кольцевых магнитопроводах. Число витков рассчитывают по известным формулам.

Подстроечный резистор для регулировки выходного напряжения (R3, см. рис. 9) во многих ИБП отсутствует, вместо него установлен постоянный. Если требуется подстройка, ее можно произвести, временно установив подстроечный резистор, а затем вновь заменив его постоянным найденного номинала.

Для повышения надежности полезно заменить установленные в фильтрах наиболее мощных выпрямителей + 12 В и +5 В импортные оксидные конденсаторы эквивалентными по емкости и напряжению конденсаторами К50-29. Следует заметить, что на платах многих ИБП установлены не все предусмотренные схемой конденсаторы (по-видимому, из экономии), что отрицательно сказывается на характеристиках блока. Рекомендуется установить недостающие конденсаторы на предназначенные для них места.

Собирая блок после ремонта, не забудьте удалить временно установленные перемычки и резисторы, а также подключить к соответствующему разъему встроенный вентилятор.

ЛИТЕРАТУРА
1. Куличков А. Импульсные блоки питания для IBM PC. - М.: ДМК, серия "Ремонт и сервис", 2000.
2. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. - С.-Пб.: Питер, 2000.
3. Куневич А.. Сидоров И. Индуктивные элементы на ферритах. - С.-Пб.: Лениздат, 1997.
4. Никулин С. Надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1979.

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.

Статья написана на основе книги А.В.Головкова и В.Б Любицкого"БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" Материал взят с сайта интерлавка. Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель PWR SW через сетевой предохранитель F101 4А, помехоподавляющие фильтры, образованные элементами С101, R101, L101, С104, С103, С102 и дроссели И 02, L103 на:
выходной трехконтактный разъем, к которому может подстыковываться кабель питания дисплея;
двухконтактный разъем JP1, ответная часть которого находится на плате.
С разъема JP1 переменное напряжение сети поступает на:
мостовую схему выпрямления BR1 через терморезистор THR1;
первичную обмотку пускового трансформатора Т1.

На выходе выпрямителя BR1 включены сглаживающие емкости фильтра С1, С2. Терморезистор THR ограничивает начальный бросок зарядного тока этих конденсаторов. Переключатель 115V/230V SW обеспечивает возможность питания импульсного блока питания как от сети 220-240В, так и от сети 110/127 В.

Высокооомные резисторы R1, R2, шунтирующие конденсаторы С1, С2 являются симметрирующими (выравнивают напряжения на С1 и С2), а также обеспечивают разрядку этих конденсаторов после выключения импульсного блока питания из сети. Результатом работы входных цепей является появление на шине выпрямленного напряжения сети постоянного напряжения Uep, равного +310В, с некоторыми пульсациями. В данном импульсном блоке питания используется схема запуска с принудительным (внешним) возбуждением, которая реализована на специальном пусковом трансформаторе Т1, на вторичной обмотке которого после включения блока питания в сеть появляется переменное напряжение с частотой питающей сети. Это напряжение выпрямляется диодами D25, D26, которые образуют со вторичной обмоткой Т1 двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. СЗО - сглаживающая емкость фильтра, на которой образуется постоянное напряжение, используемое для питания управляющей микросхемы U4.

В качестве управляющей микросхемы в данном импульсном блоке питания традиционно используется ИМС TL494.

Питающее напряжение с конденсатора СЗО подается на вывод 12 U4. В результате на выводе 14 U4 появляется выходное напряжение внутреннего опорного источника Uref=-5B, запускается внутренний генератор пилообразного напряжения микросхемы, а на выводах 8 и 11 появляются управляющие напряжения, которые представляют собой последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Элементы С29, R50, подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы U4 определяют частоту пилообразного напряжения, вырабатываемого внутренним генератором микросхемы.

Согласующий каскад в данном импульсном блоке питания выполнен по бестранзисторной схеме с раздельным управлением. Напряжение питания с конденсатора СЗО подается в средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Выходные транзисторы ИМС U4 выполняют функции транзисторов согласующего каскада и включены по схеме с ОЭ. Эмиттеры обоих транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) подключены к "корпусу". Коллекторными нагрузками этих транзисторов являются первичные полуобмотки управляющих трансформаторов Т2, ТЗ, подключенные к выводам 8, 11 микросхемы U4 (открытые коллекторы выходных транзисторов). Другие половины первичных обмоток Т2, ТЗ с подключенными к ним диодами D22, D23 образуют цепи размагничивания сердечников этих трансформаторов.

Трансформаторы Т2, ТЗ управляют мощными транзисторами полумостового инвертора.

Переключения выходных транзисторов микросхемы вызывают появление импульсных управляющих ЭДС на вторичных обмотках управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Под действием этих ЭДС силовые транзисторы Q1, Q2 попеременно открываются с регулируемыми паузами ("мертвыми зонами"). Поэтому через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т5 протекает переменный ток в виде пилообразных токовых импульсов. Это объясняется тем, что первичная обмотка Т5 включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано транзисторами Q1, Q2, а другое - конденсаторами С1, С2. Поэтому при открывании какого-либо из транзисторов Q1, Q2 первичная обмотка Т5 оказывается подключена к одному из конденсаторов С1 или С2, что и обуславливает протекание через нее тока в течение всего времени, пока открыт транзистор.
Демпферные диоды D1, D2 обеспечивают возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки Т5 за время закрытого состояния транзисторов Q1, Q2 обратно в источник (рекуперация).
Конденсатор СЗ, включенный последовательно с первичной обмоткой Т5, ликвидирует постоянную составляющую тока через первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

Резисторы R3, R4 и R5, R6 образуют базовые делители для мощных транзисторов Q1, Q2 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах.

Диоды сборки SD2 представляют собой диоды с барьером Шоттки, чем достигается необходимое быстродействие и повышается КПД выпрямителя.

Обмотка III совместно с обмоткой IV обеспечивает получение выходного напряжения +12В вместе с диодной сборкой (полумостом) SD1. Эта сборка образует с обмоткой III двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. Однако средняя точка обмотки III не заземлена, а подключена к шине выходного напряжения +5В. Это даст возможность использовать диоды Шоттки в канале выработки +12В, т.к. обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя при таком включении, уменьшается до допустимого для диодов Шоттки уровня.

Элементы L1, С6, С7 образуют сглаживающий фильтр в канале +12В.

Средняя точка обмотки II заземлена.

Стабилизация выходных напряжений осуществляются разными способами в разных каналах.
Отрицательные выходные напряжения -5В и -12В стабилизируются при помощи линейных интегральных трехвыводных стабилизаторов U4 (типа 7905) и U2 (типа 7912).
Для этого на входы этих стабилизаторов подаются выходные напряжения выпрямителей с конденсаторов С14, С15. На выходных конденсаторах С16, С17 получаются стабилизированные выходные напряжения -12В и -5В.
Диоды D7, D9 обеспечивают разрядку выходных конденсаторов С16, С17 через резисторы R14, R15 после выключения импульсного блока питания из сети. Иначе эти конденсаторы разряжались бы через схему стабилизаторов, что нежелательно.
Через резисторы R14, R15 разряжаются и конденсаторы С14, С15.

Диоды D5, D10 выполняют защитную функцию в случае пробоя выпрямительных диодов.

Выходное напряжение +12В в данном ИБП не стабилизируется.

Регулировка уровня выходных напряжений в данном ИБП производится только для каналов +5В и +12В. Эта регулировка осуществляется за счет изменения уровня опорного напряжения на прямом входе усилителя ошибки DA3 при помощи подстроечного резистора VR1.
При изменении положения движка VR1 в процессе настройки ИБП будет изменяться в некоторых пределах уровень напряжения на шине +5В, а значит и на шине +12В, т.к. напряжение с шины +5В подается в среднюю точку обмотки III.

Комбинированная зашита данного ИБП включает в себя:

Ограничивающую схему контроля ширины управляющих импульсов;
полную схему защиты от КЗ в нагрузках;
неполную схему контроля выходного перенапряжения (только на шине +5В).

Рассмотрим каждую из этих схем.

Ограничивающая схема контроля использует в качестве датчика трансформатор тока Т4, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т5.
Резистор R42 является нагрузкой вторичной обмотки Т4, а диоды D20, D21 образуют двухпо-лупериодную схему выпрямления знакопеременного импульсного напряжения, снимаемого с нагрузки R42.

Резисторы R59, R51 образуют делитель. Часть напряжения сглаживается конденсатором С25. Уровень напряжения на этом конденсаторе пропорционально зависит от ширины управляющих импульсов на базах силовых транзисторов Q1, Q2. Этот уровень через резистор R44 подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA4 (вывод 15 микросхемы U4). Прямой вход этого усилителя (вывод 16) заземлен. Диоды D20, D21 включены так, что конденсатор С25 при протекании тока через эти диоды заряжается до отрицательного (относительно общего провода) напряжения.

В нормальном режиме работы, когда ширина управляющих импульсов не выходит за допустимые пределы, потенциал вывода 15 положителен, благодаря связи этого вывода через резистор R45 с шиной Uref. При чрезмерном увеличении ширины управляющих импульсов по какой-либо причине, отрицательное напряжение на конденсаторе С25 возрастает, и потенциал вывода 15 становится отрицательным. Это приводит к появлению выходного напряжения усилителя ошибки DA4, которое до этого было равно 0В. Дальнейший рост ширины управляющих импульсов приводит к тому, что управление переключениями ШИМ-ком-паратора DA2 передается к усилителю DA4, и последующего за этим увеличения ширины управляющих импульсов уже не происходит (режим ограничения), т.к. ширина этих импульсов перестает зависеть от уровня сигнала обратной связи на прямом входе усилителя ошибки DA3.

Схема защиты от КЗ в нагрузках условно может быть разделена на защиту каналов выработки положительных напряжений и защиту каналов выработки отрицательных напряжений, которые схемотехнически реализованы примерно одинаково.
Датчиком схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов выработки положительных напряжений (+5В и +12В) является диодно-резистивный делитель D11, R17, подключенный между выходными шинами этих каналов. Уровень напряжения на аноде диода D11 является контролируемым сигналом. В нормальном режиме работы, когда напряжения на выходных шинах каналов +5В и +12В имеют номинальные величины, потенциал анода диода D11 составляет около +5,8В, т.к. через делитель-датчик протекает ток с шины +12В на шину +5В по цепи: шина +12В - R17- D11 - шина +56.

Контролируемый сигнал с анода D11 подается на резистивный делитель R18, R19. Часть этого напряжения снимается с резистора R19 и подается на прямой вход компаратора 1 микросхемы U3 типа LM339N. На инвертирующий вход этого компаратора подается опорный уровень напряжения с резистора R27 делителя R26, R27, подключенного к выходу опорного источника Uref=+5B управляющей микросхемы U4. Опорный уровень выбран таким, чтобы при нормальном режиме работы потенциал прямого входа компаратора 1 превышал бы потенциал инверсного входа. Тогда выходной транзистор компаратора 1 закрыт, и схема ИБП нормально функционирует в режиме ШИМ.

В случае КЗ в нагрузке канала +12В, например, потенциал анода диода D11 становится равным 0В, поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 1 станет выше, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора откроется. Это вызовет закрывание транзистора Q4, который нормально открыт током базы, протекающим по цепи: шина Upom - R39 - R36 -б-э Q4 - "корпус".

Открывание выходного транзистора компаратора 1 подключает резистор R39 к "корпусу", и поэтому транзистор Q4 пассивно закрывается нулевым смещением. Закрывание транзистора Q4 влечет за собой зарядку конденсатора С22, который выполняет функцию звена задержки срабатывания защиты. Задержка необходима из тех соображений, что в процессе выхода ИБП на режим, выходные напряжения на шинах +5В и +12В появляются не сразу, а по мере зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Опорное же напряжение от источника Uref, напротив, появляется практически сразу же после включения ИБП в сеть. Поэтому в пусковом режиме компаратор 1 переключается, его выходной транзистор открывается, и если бы задерживающий конденсатор С22 отсутствовал, то это привело бы к срабатыванию защиты сразу при включении ИБП в сеть. Однако в схему включен С22, и срабатывание защиты происходит лишь после того как напряжение на нем достигнет уровня, определяемого номиналами резисторов R37, R58 делителя, подключенного к шине Upom и являющегося базовым для транзистора Q5. Когда это произойдет, транзистор Q5 открывается, и резистор R30 оказывается подключен через малое внутреннее сопротивление этого транзистора к "корпусу". Поэтому появляется путь для протекания тока базы транзистора Q6 по цепи: Uref - э-6 Q6 - R30 - к-э Q5 -"корпус".

Транзистор Q6 открывается этим током до насыщения, в результате чего напряжение Uref=5B, которым запитан по эмиттеру транзистор Q6, оказывается приложенным через его малое внутреннее сопротивление к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Это, как было показано ранее, ведет к останову работы цифрового тракта микросхемы, пропаданию выходных управляющих импульсов и прекращению переключении силовых транзисторов Q1, Q2, т.е. к защитному отключению. КЗ в нагрузке канала +5В приведет к тому, что потенциал анода диода D11 будет составлять всего около +0.8В. Поэтому выходной транзистор компаратора (1) окажется открыт, и произойдет защитное отключение.
Аналогичным образом построена защита от КЗ в нагрузках каналов выработки отрицательных напряжений (-5В и -12В) на компараторе 2 микросхемы U3. Элементы D12, R20 образуют диодно-резистивный делитель-датчик, подключаемый между выходными шинами каналов выработки отрицательных напряжений. Контролируемым сигналом является потенциал катода диода D12. При КЗ в нагрузке канала -5В или -12В, потенциал катода D12 повышается (от -5,8 до 0В при КЗ в нагрузке канала -12В и до -0,8В при КЗ в нагрузке канала -5В). В любом из этих случаев открывается нормально закрытый выходной транзистор компаратора 2, что и обуславливает срабатывание защиты по приведенному выше механизму. При этом опорный уровень с резистора R27 подается на прямой вход компаратора 2, а потенциал инвертирующего входа определяется номиналами резисторов R22, R21. Эти резисторы образуют двуполярно запитанный делитель (резистор R22 подключен к шине Uref=+5B, а резистор R21 - к катоду диода D12, потенциал которого в нормальном режиме работы ИБП, как уже отмечалось, составляет -5,8В). Поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 2 в нормальном режиме работы поддерживается меньшим, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора будет закрыт.

Защита от выходного перенапряжения на шине +5В реализована на элементах ZD1, D19, R38, С23. Стабилитрон ZD1 (с пробивным напряжением 5,1В) подключается к шине выходного напряжения +5В. Поэтому, пока напряжение на этой шине не превышает +5,1 В, стабилитрон закрыт, а также закрыт транзистор Q5. В случае увеличения напряжения на шине +5В выше +5,1В стабилитрон "пробивается", и в базу транзистора Q5 течет отпирающий ток, что приводит к открыванию транзистора Q6 и появлению напряжения Uref=+5B на выводе 4 управляющей микросхемы U4, т.е. к защитному отключению. Резистор R38 является балластным для стабилитрона ZD1. Конденсатор С23 предотвращает срабатывание защиты при случайных кратковременных выбросах напряжения на шине +5В (например, в результате установления напряжения после скачкообразного уменьшения тока нагрузки). Диод D19 является развязывающим.

Схема образования сигнала PG в данном импульсном блоке питания является двухфункциональной и собрана на компараторах (3) и (4) микросхемы U3 и транзисторе Q3.

Схема построена на принципе контроля наличия переменного низкочастотного напряжения на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1, которое действует на этой обмотке лишь при наличии питающего напряжения на первичной обмотке Т1, т.е. пока импульсный блок питания включен в питающую сеть.
Практически сразу после включения ИБП в питающую сеть появляется вспомогательное напряжение Upom на конденсаторе СЗО, которым запитывается управляющая микросхема U4 и вспомогательная микросхема U3. Кроме того, переменное напряжение со вторичной обмотки пускового трансформатора Т1 через диод D13 и то-коограничивающий резистор R23 заряжает конденсатор С19. Напряжением с С19 запитывается резистивный делитель R24, R25. С резистора R25 часть этого напряжения подается на прямой вход компаратора 3, что приводит к закрыванию его выходного транзистора. Появляющееся сразу вслед за этим выходное напряжение внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B за-питывает делитель R26, R27. Поэтому на инвертирующий вход компаратора 3 подается опорный уровень с резистора R27. Однако этот уровень выбран меньшим, чем уровень на прямом входе, и поэтому выходной транзистор компаратора 3 остается в закрытом состоянии. Поэтому начинается процесс зарядки задерживающей емкости С20 по цепи: Upom - R39 - R30 - С20 - "корпус".
Растущее по мере зарядки конденсатора С20 напряжение подается на инверсный вход 4 микросхемы U3. На прямой вход этого компаратора подается напряжение с резистора R32 делителя R31, R32, подключенного к шине Upom. Пока напряжение на заряжающемся конденсаторе С20 не превышает напряжения на резисторе R32, выходной транзистор компаратора 4 закрыт. Поэтому в базу транзистора Q3 протекает открывающий ток по цепи: Upom - R33 - R34 - 6-э Q3 - "корпус".
Транзистор Q3 открыт до насыщения, а сигнал PG, снимаемый с его коллектора, имеет пассивный низкий уровень и запрещает запуск процессора. За это время, в течение которого уровень напряжения на конденсаторе С20 достигает уровня на резисторе R32, импульсный блок питания успевает надежно выйти в номинальный режим работы, т.е. все его выходные напряжения появляются в полном объеме.
Как только напряжение на С20 превысит напряжение, снимаемое с R32, компаратор 4 переключится, него выход ной транзистор откроется.
Это повлечет за собой закрывание транзистора Q3, и сигнал PG, снимаемый с его коллекторной нагрузки R35, становится активным (Н-уровня) и разрешает запуск процессора.
При выключении импульсного блока питания из сети на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1 переменное напряжение исчезает. Поэтому напряжение на конденсаторе С19 быстро уменьшается из-за малой емкости последнего (1 мкф). Как только падение напряжения на резисторе R25 станет меньше, чем на резисторе R27, компаратор 3 переключится, и его выходной транзистор откроется. Это повлечет за собой защитное отключение выходных напряжений управляющей микросхемы U4, т.к. откроется транзистор Q4. Кроме того, через открытый выходной транзистор компаратора 3 начнется процесс ускоренной разрядки конденсатора С20 по цепи: (+)С20 - R61 - D14 - к-э выходного транзистора компаратора 3 - "корпус".

Как только уровень напряжения на С20 станет меньше, чем уровень напряжения на R32, компаратор 4 переключится, и его выходной транзистор закроется. Это повлечет за собой открывание транзистора Q3 и переход сигнала PG в неактивный низкий уровень до того, как начнут недопустимо уменьшаться напряжения на выходных шинах ИБП. Это приведет к инициализации сигнала системного сброса компьютера и к исходному состоянию всей цифровой части компьютера.

Оба компаратора 3 и 4 схемы выработки сигнала PG охвачены положительными обратными связями с помощью резисторов R28 и R60 соответственно, что ускоряет их переключение.
Плавный выход на режим в данном ИБП традиционно обеспечивается при помощи формирующей цепочки С24, R41, подключенной к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Остаточное напряжение на выводе 4, определяющее максимально возможную длительность выходных импульсов, задается делителем R49, R41.
Питание двигателя вентилятора осуществляется напряжением с конденсатора С14 в канале выработки напряжения -12В через дополнительный развязывающий Г-образный фильтр R16, С15.

Добрый день, друзья!

А вы хотели бы узнать, как устроен блок питания компьютера? Сейчас мы попытаемся разобраться в этом вопросе.

Для начала отметим, что , как и любому электронному устройству, необходим источник электрической энергии . Вспомним, что бывают

Первичные и вторичные источники электропитания

Первичные - это, в частности, химические источники тока (элементы питания и аккумуляторы) и генераторы электрической энергии, находящиеся на электростанциях.

В компьютерах могут применяться:

• литиевые элементы напряжением 3 В для питания КМОП микросхемы, в которой хранятся установки BIOS,
• литий-ионные аккумуляторы (в ноутбуках).

Литиевые элементы 2032 питают микросхему структуру CMOS, хранящую настройки Setup компьютера.

Потребление тока при этом невелико (порядка единиц микроампер), поэтому энергии батареи хватает на несколько лет .

После исчерпания энергии такие источник энергии восстановлению не подлежат.

В отличие от элементов литий-ионные аккумуляторы являются возобновляемыми источниками. Они периодически то запасают энергию, то отдают ее. Сразу отметим, что любые аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряд-разряд.

Но большая часть стационарных компьютеров питается не от аккумуляторов, а от сети переменного напряжения.

В настоящее время в каждом доме имеются розетки с переменным напряжением 220 В (в некоторых странах 110 — 115 В) частотой 50 Герц (в некоторых странах – 60 Герц), которые можно считать первичными источниками .

Но основные компоненты компьютера не могут непосредственно использовать такое напряжение.

Его необходимо преобразовать. Выполняет эту работу источник вторичного электропитания (народное название — «блок питания ») компьютера. В настоящее время почти все блоки питания (БП) - импульсные. Рассмотрим более подробно, как устроен импульсный блок питания.

Входной фильтр, высоковольтный выпрямитель и емкостный фильтр

На входе импульсного БП имеется входной фильтр. Он не пропускает помехи, которые всегда есть в электрической сети, в блок питания.

Помехи могут возникать при коммутации мощных потребителей энергии, сварке и т.п.

В то же время он задерживает помехи и самого блока, не пропуская их в сеть.

Если быть более точным, помехи в БП и из него проходят, но достаточно сильно ослабляются .

Входной фильтр представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ).

Он пропускает низкие частоты (в том числе сетевое напряжение, частота которого равна 50 Гц) и ослабляет высокие.

Отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ). Как правило, ВВ выполнен по мостовой схеме из четырех полупроводниковых диодов.

Диоды могут быть как отдельными, так и смонтированными в одном корпусе. Существует и другое название такого выпрямителя — «диодный мост ».

Выпрямитель превращает переменное напряжение в пульсирующее, т. е. одной полярности.

Грубо говоря, диодный мост «заворачивает» отрицательную полуволну, превращая ее в положительную.

Пульсирующее напряжение представляет собой ряд полуволн положительной полярности. На выходе ВВ стоит емкостной фильтр - один или два последовательно включенных электролитических конденсатора.

Конденсатор - это буферный элемент, который может заряжаться, запасая энергию и разряжаться, отдавая ее.

Когда напряжение на выходе выпрямителя ниже некоей величины («провал»), конденсатор разряжается, поддерживая его на нагрузке. Если же оно выше, конденсатор заряжается, обрезая пики напряжения.

В курсе высшей математике доказывается, что пульсирующее напряжение представляет собой сумму постоянной составляющей и гармоник , частоты которых кратны основной частоте сети.

Таким образом, емкостный фильтр можно рассматривать здесь как фильтр нижних частот, выделяющий постоянную составляющую и ослабляющий гармоники. В том числе и основную гармонику сети — 50 Гц.

Источник дежурного напряжения

В компьютерном блоке питания имеется так называемый источник дежурного напряжения (+5 VSB).

Если вилка кабеля вставлена в питающую сеть, это напряжение присутствует на соответствующем контакте разъема блока питания. Мощность этого источника небольшая, он способен отдавать ток 1 — 2 А.

Именно этот маломощный источник и запускает гораздо более мощный инвертор. Если разъем блока питания вставлен в материнскую плату, то часть ее компонентов находится под напряжением + 5 VSB.

Сигнал на запуск инвертора подается с материнской платы. Причем для включения можно использовать маломощную кнопку.

В более старых моделях компьютеров устанавливались БП старого стандарта АТ. Они имели громоздкие выключатели с мощными контактами, что удорожало конструкцию. Использование нового стандарта АТХ позволяет «будить» компьютер одним движением или кликом «мышки». Или нажатием клавиши на клавиатуре. Это, конечно, удобно.

Но при этом надо помнить, что конденсаторы в источнике дежурного напряжения всегда находятся под напряжением . Электролит в них подсыхает, срок службы уменьшается.

Большинство пользователей традиционно включает компьютер кнопкой на корпусе, питая его через фильтр-удлинитель. Таким образом, можно рекомендовать после отключения компьютера исключать подачу напряжения на блок питания выключателем фильтра.

Выбор - удобство или надежность - за вами, уважаемый читатели.

Устройство источника дежурного напряжения

Источник дежурного напряжения (ИДН) содержит в себе маломощный инвертор.

Этот инвертор превращает высокое постоянное напряжение, полученное с высоковольтного фильтра, в переменное. Это напряжение понижается до необходимой величины маломощным трансформатором.

Инвертор работает на гораздо более высокой частоте, чем частота сети, поэтому размеры его трансформатора невелики. Напряжение со вторичной обмотки подается на выпрямитель и низковольтный фильтр (электролитические конденсаторы).

Напряжение ИДН должно находиться в пределах 4,75 - 5,25 В. Если оно будет меньше - основной мощный инвертор может не запуститься. Если оно будет больше, компьютер может «подвисать» и сбоить.

Для поддержания стабильного напряжения в ИДН часто используется регулируемый стабилитрон (иначе называемый источником опорного напряжения) и обратная связь. При этом часть выходного напряжения ИДН подается во входные высоковольтные цепи.

Заканчивая первую часть статьи, отметим, что для гальванической развязки входных и выходных цепей используется оптопара .

Оптопара содержит источник и приемник излучения. В чаще всего используется оптопара, содержащая в себе светодиод и фототранзистор.

Инвертор в ИДН собран чаще всего на мощном высоковольтном полевом или биполярном транзисторе. Мощный транзистор отличается от маломощных тем, что рассеивает бОльшую мощность и имеет бОльшие габариты.

В этом месте сделаем паузу. Во второй части статьи мы рассмотрим основной инвертор и низковольтную часть компьютерного блока питания.

С вами был Виктор Геронда.

До встречи на блоге!

P.S. Фото кликабельны, кликайте, рассматривайте внимательно схемы и удивляйте знакомых своей эрудицией!

Введение

Неотъемлемой частью каждого компьютера является блок питания. Он важен так же, как и остальные части компьютера. При этом покупка блока питания осуществляется достаточно редко, т.к. хороший БП может обеспечить питанием несколько поколений систем. Учитывая все это к приобретению блока питания необходимо отнестись очень серьезно, так как судьба компьютера в прямой зависимости от работы блока питания.

Для осуществления гальванической развязки достаточно изготовить трансформатор с необходимыми обмотками. Но для питания компьютера нужна немалая мощность, особенно для современных ПК. Для питания компьютера пришлось бы изготовлять трансформатор, который имел бы не только большой размер, но и очень много весил. Однако с ростом частоты питающего тока трансформатора для создания того же магнитного потока необходимо меньше витков и меньше сечение магнитопровода. В блоках питаниях, построенных на основе преобразователя, частота питающего напряжения трансформатора в 1000 и более раз выше. Это позволяет создавать компактные и легкие блоки питания.

Простейший импульсный БП

Рассмотрим блок-схему простого импульсного блока питания, который лежит в основе всех импульсных блоков питания.

Блок схема импульсного блока питания.

Первый блок осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное. Такой преобразователь состоит из диодного моста, выпрямляющего переменное напряжение, и конденсатора, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. В этом боке также находятся дополнительные элементы: фильтры сетевого напряжения от пульсаций генератора импульсов и термисторы для сглаживания скачка тока в момент включения. Однако эти элементы могут отсутствовать с целью экономии на себестоимости.

Следующий блок - генератор импульсов, который генерирует с определенной частотой импульсы, питающие первичную обмотку трансформатора. Частота генерирующих импульсов разных блоков питания различна и лежит в пределах 30 - 200 кГц. Трансформатор осуществляет главные функции блока питания: гальваническую развязку с сетью и понижение напряжения до необходимых значений.

Переменное напряжение, получаемое от трансформатора, следующий блок преобразует в постоянное напряжение. Блок состоит из диодов выпрямляющих напряжение и фильтра пульсаций. В этом блоке фильтр пульсаций намного сложнее, чем в первом блоке и состоит из группы конденсаторов и дросселя. С целью экономии производители могут устанавливать конденсаторы малой емкости, а также дроссели с малой индуктивностью.

Первый импульсный блок питания представлял собой двухтактный или однотактный преобразователь. Двухтактный означает, что процесс генерации состоит из двух частей. В таком преобразователе по очереди открываются и закрываются два транзистора. Соответственно в однотактном преобразователе один транзистор открывается и закрывается. Схемы двухтактного и однотактного преобразователей представлены ниже.

Принципиальная схема преобразователя.

Рассмотрим элементы схемы подробнее:

Х2 - разъем источник питания схемы.

Х1 - разъем с которого снимается выходное напряжение.

R1 - сопротивление, задающее начальное небольшое смещение на ключах. Оно необходимо для более стабильного запуска процесса колебаний в преобразователе.

R2 - сопротивление, которое ограничивает ток базы на транзисторах, это необходимо для защиты транзисторов от сгорания.

ТР1 - Трансформатор имеет три группы обмоток. Первая выходная обмотка формирует выходное напряжение. Вторая обмотка служит нагрузкой для транзисторов. Третья формирует управляющее напряжение для транзисторов.

В начальный момент включения первой схемы транзистор немного приоткрыт, т.к. к базе через резистор R1 приложено положительное напряжение. Через приоткрытый транзистор протекает ток, который также протекает и через II обмотку трансформатора. Ток, протекающий через обмотку, создает магнитное поле. Магнитное поле создает напряжение в остальных обмотках трансформатора. В следствии на обмотке III создается положительное напряжение, которое еще больше открывает транзистор. Процесс происходит до тех пор, пока транзистор не попадет в режим насыщения. Режим насыщения характеризуется тем, что при увеличении приложенного управляющего тока к транзистору выходной ток остается неизменным.

Так как напряжение в обмотках генерируется только в случае изменения магнитного поля, его роста или падения, то отсутствие роста тока на выходе транзистора, следовательно, приведет к исчезновению ЭДС в обмотках II и III. Пропадание напряжения в обмотке III приведет к уменьшению степени открытия транзистора. И выходной ток транзистора уменьшится, следовательно, и магнитное поле будет уменьшаться. Уменьшение магнитного поля приведет к созданию напряжения противоположной полярности. Отрицательное напряжение в обмотке III начнет еще больше закрывать транзистор. Процесс будет длиться до тех пор, пока магнитное поле полностью не исчезнет. Когда магнитное поле исчезнет, отрицательное напряжение в обмотке III тоже исчезнет. Процесс снова начнет повторяться.

Двухтактный преобразователь работает по такому же принципу, но отличие в том, что транзисторов два, и они по очереди открываются и закрываются. То есть когда один открыт - другой закрыт. Схема двухтактного преобразователя обладает большим преимуществом, так как использует всю петлю гистерезиса магнитного проводника трансформатора. Использование только одного участка петли гистерезиса или намагничивание только в одном направлении приводит к возникновению многих нежелательных эффектов, которые снижают КПД преобразователя и ухудшают его характеристики. Поэтому в основном везде применяется двухтактная схема преобразователя с фазосдвигающим трансформатором. В схемах, где нужна простота, малые габариты, и малая мощность все же используется однотактная схема.

Блоки питания форм-фактора АТХ без коррекции коэффициента мощности

Преобразователи, рассмотренные выше, хоть и законченные устройства, но в практике их использовать неудобно. Частота преобразователя, выходное напряжение и многие другие параметры «плавают», изменяются в зависимости от изменения: напряжения питания, загруженности выхода преобразователя и температуры. Но если ключами управлять контроллером, который бы мог осуществлять стабилизацию и различные дополнительные функции, то можно использовать схему для питания устройств. Схема блока питания с применением ШИМ-контроллера довольно проста, и, в общем, представляет собой генератор импульсов, построенный на ШИМ-котроллере.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция. Она позволяет регулировать амплитуду сигнала прошедшего ФНЧ (фильтр низких частот) с изменением длительности или скважности импульса. Главные достоинства ШИМ это высокое значение КПД усилителей мощности и большие возможности в применении.

Схема простого блока питания с ШИМ контроллером.

Данная схема блока питания имеет небольшую мощность и в качестве ключа использует полевой транзистор, что позволяет упростить схему и избавиться от дополнительных элементов, необходимых для управления транзисторных ключей. В блоках питания большой мощности ШИМ-контроллер имеет элементы управления («Драйвер») выходным ключом. В качестве выходных ключей в блоках питаниях большой мощности используются IGBT-транзисторы.

Сетевое напряжение в данной схеме преобразуется в постоянное напряжение и чрез ключ поступает на первую обмотку трансформатора. Вторая обмотка служит для питания микросхемы и формирования напряжения обратной связи. ШИМ-котроллер генерирует импульсы с частотой, которая задана RC-цепочкой подключенной к ножке 4. Импульсы подаются на вход ключа, который их усиливает. Длительность импульсов изменяется в зависимости от напряжения на ножке 2.

Рассмотрим реальную схему АТХ блока питания. Она имеет намного больше элементов и в ней присутствуют еще дополнительные устройства. Красными квадратами схема блока питания условно поделена на основные части.

Схема АТХ блока питания мощностью 150-300 Вт.

Для питания микросхемы контроллера, а также формирования дежурного напряжения +5, которое используется компьютером, когда он выключен, в схеме находиться еще один преобразователь. На схеме он обозначен как блок 2. Как видно он выполнен по схеме однотактного преобразователя. Во втором блоке также есть дополнительные элементы. В основном это цепочки поглощения всплесков напряжений, которые генерируются трансформатором преобразователя. Микросхема 7805 - стабилизатор напряжения формирует дежурное напряжение +5В из выпрямленного напряжения преобразователя.

Зачастую в блоке формирования дежурного напряжения установлены некачественные или дефектные компоненты, что вызывает снижение частоты преобразователя до звукового диапазона. В результате чего из блока питания слышен писк.

Так как блок питания питается от сети переменного напряжения 220В, а преобразователь нуждается в питании постоянным напряжением, напряжение необходимо преобразовать. Первый блок осуществляет выпрямление и фильтрацию переменного сетевого напряжения. В этом блоке также находится заграждающий фильтр от помех, генерируемых самим блоком питания.

Третий блок это ШИМ-контроллер TL494. Он осуществляет все основные функции блока питания. Защищает блок питания от коротких замыканий, стабилизирует выходные напряжения и формирует ШИМ-сигнал для управления транзисторными ключами, которые нагружены на трансформатор.

Четвертый блок состоит из двух трансформаторов и двух групп транзисторных ключей. Первый трансформатор формирует управляющее напряжение для выходных транзисторов. Поскольку ШИМ-контроллер TL494 генерирует сигнал слабой мощности, первая группа транзисторов усиливает этот сигнал и передает его первому трансформатору. Вторая группа транзисторов, или выходные, нагружены на основной трансформатор, который осуществляет формирование основных напряжений питания. Такая более сложная схема управления выходными ключами применена из-за сложности управления биполярными транзисторами и защиты ШИМ-контроллера от высокого напряжения.

Пятый блок состоит из диодов Шоттки, выпрямляющих выходное напряжение трансформатора, и фильтра низких частот (ФНЧ). ФНЧ состоит из электролитических конденсаторов значительной емкости и дросселей. На выходе ФНЧ стоят резисторы, которые нагружают его. Эти резисторы необходимы для того, чтобы после выключения емкости блока питания не оставались заряженными. Также резисторы стоят и на выходе выпрямителя сетевого напряжения.

Оставшиеся элементы, не обведенные в блоке это цепочки, формируют «сигналы исправности». Этими цепочками осуществляется работа защиты блока питания от короткого замыкания или контроль исправности выходных напряжений.

Блок питания АТХ мощностью 200 Вт.

Теперь посмотрим, как на печатной плате блока питания мощностью 200 Вт расположены элементы. На рисунке показаны:

Конденсаторы, выполняющие фильтрацию выходных напряжений.

Место не распаянных конденсаторов фильтра выходных напряжений.

Катушки индуктивности, выполняющие фильтрацию выходных напряжений. Более крупная катушка играет роль не только фильтра, но и еще работает в качестве ферромагнитного стабилизатора. Это позволяет немного снизить перекосы напряжений при неравномерной нагрузке различных выходных напряжений.

Микросхема ШИМ-стабилизатора WT7520.

Радиатор на котором установлены диоды Шоттки для напряжений +3.3В и +5В, а для напряжения +12В обычные диоды. Необходимо отметить, что часто особенно в старых блоках питаниях, на этом же радиаторе размещаются дополнительно элементы. Это элементы стабилизации напряжений +5В и +3,3В. В современных блоках питаниях размещаются на этом радиаторе только диоды Шоттки для всех основных напряжений или полевые транзисторы, которые используются в качестве выпрямительного элемента.

Основной трансформатор, который осуществляет формирование всех напряжений, а также гальваническую развязку с сетью.

Трансформатор, формирующий управляющие напряжения для выходных транзисторов преобразователя.

Трансформатор преобразователя, формирующий дежурное напряжение +5В.

Радиатор, на котором размещены выходные транзисторы преобразователя, а также транзистор преобразователя формирующего дежурное напряжение.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения. Их не обязательно должно быть два. Для формирования двухполярного напряжения и образования средней точки устанавливают два конденсатора равной емкости. Они делят выпрямленное сетевое напряжение пополам, тем самым формируя два напряжения разной полярности, соединенных в общей точке. В схемах с однополярным питанием конденсатор один.

Элементы фильтра сети от гармоник (помех), генерирующихся блоком питания.

Диоды диодного моста, осуществляющие выпрямление переменного напряжения сети.

Блок питания АТХ мощностью 350 Вт.

Блок питания 350 Вт устроен эквивалентно. Сразу бросается в глаза больших размеров плата, увеличенные радиаторы и большего размера трансформатор преобразователя.

Конденсаторы фильтра выходных напряжений.

Радиатор, охлаждающий диоды, выпрямляющие выходное напряжение.

ШИМ-контролер АТ2005 (аналог WT7520), осуществляющий стабилизацию напряжений.

Основной трансформатор преобразователя.

Трансформатор, формирующий управляющее напряжение для выходных транзисторов.

Трансформатор преобразователя дежурного напряжения.

Радиатор, охлаждающий выходные транзисторы преобразователей.

Фильтр сетевого напряжения от помех блока питания.

Диоды диодного моста.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения.

Рассмотренная схема долго применялась в блоках питаниях и сейчас иногда встречается.

Блоки питания формата АТХ с коррекцией коэффициента мощности.

В рассмотренных схемах нагрузкой сети служит конденсатор, подключаемый к сети через диодный мост. Заряд конденсатора происходит только в том случае если на нем напряжение меньше чем сетевое. В результате ток носит импульсный характер, что имеет множество недостатков.

Мостовой выпрямитель напряжения.

Перечислим эти недостатки:

• токи вносят в сеть высшие гармоники (помехи);
• большая амплитуда тока потребления;
• значительная реактивная составляющая в токе потребления;
• сетевое напряжение не используется в течение всего периода;
• КПД таких схем имеет небольшое значение.

Новые блоки питания имеют усовершенствованную современную схему, в ней появился еще один дополнительный блок - корректор коэффициента мощности (ККМ). Он осуществляет повышение коэффициента мощности. Или более простым языком убирает некоторые недостатки мостового выпрямителя сетевого напряжения.

Формула полной мощности.

Коэффициент мощности (КМ) характеризует, сколько в полной мощности активной составляющей и сколько реактивной. В принципе, можно сказать, а зачем учитывать реактивную мощность, она же мнимая и не несет пользу.

Формула коэффициента мощности.

Допустим, у нас есть некий прибор, блок питания, с коэффициентом мощности 0,7 и мощностью 300 Вт. Видно из расчетов, что наш блок питания имеет полную мощность (сумму реактивной и активной мощности) больше, чем указанная на нем. И эту мощность должна дать сеть питания 220В. Хотя эта мощность не несет пользы (даже счетчик электричества ее не фиксирует) она все же существует.

Расчет полной мощности блока питания.

То есть внутренние элементы и сетевые провода должны быть рассчитаны на мощность 430 Вт, а не 300 Вт. А представьте себе случай, когда коэффициент мощности равен 0,1 … Из-за этого ГОРСЕТЬЮ запрещается использовать приборы с коэффициентом мощности менее 0,6, а в случае обнаружения таковых на владельца налагается штраф.

Соответственно кампаниями были разработанные новые схемы блоков питания, которые имели ККМ. Вначале в качестве ККМ использовался включенный на входе дроссель большой индуктивности, такой блок питания называют блок питания с PFC или пассивным ККМ. Подобный блок питания обладает повышенным КМ. Для достижения нужного КМ необходимо оснащать блоки питания большим дросселем, так как входное сопротивление блока питания носит емкостной характер из-за установленных конденсаторов на выходе выпрямителя. Установка дросселя значительно увеличивает массу блока питания, и повышает КМ до 0,85, что не так уж и много.

400 Вт блок питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности.

На рисунке представлен блок питания компании FSP мощностью 400 Вт с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Он содержит следующие элементы:

Конденсаторы фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

Дроссель, осуществляющий коррекцию коэффициента мощности.

Трансформатор главного преобразователя.

Трансформатор, управляющий ключами.

Трансформатор вспомогательного преобразователя (дежурного напряжения).

Фильтры сетевого напряжения от пульсаций блока питания.

Радиатор, на котором установлены выходные транзисторные ключи.

Радиатор, на котором установлены диоды, выпрямляющие переменное напряжение главного трансформатора.

Плата управления скоростью вращения вентилятора.

Плата, на которой установлен ШИМ-контроллер FSP3528 (аналог KA3511).

Дроссель групповой стабилизации и элементы фильтра пульсаций выходного напряжения.

1. Конденсаторы фильтра пульсаций выходного напряжения.

Включение дросселя для коррекции КМ.

Вследствие не высокой эффективности пассивной ККМ в блок питания была введена новая схема ККМ, которая построена на основе ШИМ-стабилизатора, нагруженного на дроссель. Эта схема приносит множество плюсов блоку питанию:

• расширенный диапазон рабочих напряжений;
• появилась возможность значительно уменьшить емкость конденсатора фильтра сетевого напряжения;
• значительно повышенный КМ;
• уменьшение массы блока питания;
• увеличение КПД блока питания.

Есть и недостатки у этой схемы - это снижение надежности БП и некорректная работа с некоторыми источниками бесперебойного питания при переключениях режимов работы батарея / сеть. Некорректная работа этой схемы с ИБП вызвана тем, что в схеме существенно снизилась емкость фильтра сетевого напряжения. В момент, когда кратковременно пропадает напряжение, сильно возрастает ток ККМ, необходимый для поддержания напряжения на выходе ККМ, в результате чего срабатывает защита от КЗ (короткого замыкания) в ИБП.

Схема активного корректора коэффициента мощности.

Если посмотреть на схему, то она представляет собой генератор импульсов, который нагружен на дроссель. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом и подается на ключ, который нагружен дросселем L1 и трансформатором Т1. Трансформатор введен для обратной связи контроллера с ключом. Напряжение с дросселя снимается с помощью диодов D1 и D2. Причем напряжение снимается поочередно с помощью диодов, то с диодного моста, то с дросселя, и заряжает конденсаторы Cs1 и Cs2. Ключ Q1 открывается и в дросселе L1 накапливается энергия нужной величины. Размер накопленной энергии регулируется длительностью открытого состояния ключа. Чем больше накоплено энергии, тем большее напряжение отдаст дроссель. После выключения ключа происходит отдача накопленной энергии дросселем L1 через диод D1 конденсаторам.

Такая работа позволяет использовать полностью всю синусоиду переменного напряжения сети в отличие от схем без ККМ, а также стабилизировать напряжение, питающее преобразователь.

В современных схемах блоков питаниях, часто применяют двухканальные ШИМ-контроллеры. Одна микросхема осуществляет работу, как преобразователя, так и ККМ. В результате существенно снижается количество элементов в схеме блока питания.

Схема простого блока питания на двухканальном ШИМ-контролере.

Рассмотрим схему простого блока питания на 12В с использованием двуканального ШИМ-контроллера ML4819. Одна часть блока питания осуществляет формирование постоянного стабилизированного напряжения +380В. Другая часть представляет собой преобразователь, формирующий постоянное стабилизированное напряжение +12В. ККМ состоит, как и в выше рассмотренном случае, из ключа Q1, нагруженного на него дросселя L1 трансформатора Т1 обратной связи. Диоды D5, D6 заряжают конденсаторы С2, С3, С4. Преобразователь состоит из двух ключей Q2 и Q3, нагруженных на трансформатор Т3. Импульсное напряжение выпрямляется диодной сборкой D13 и фильтруется дросселем L2 и конденсаторами С16, С18. С помощью патрона U2 формируется напряжение регулирования выходного напряжения.

Блок питания GlacialPower GP-AL650AA.

Рассмотрим конструкцию блока питания, в которой есть активный ККМ:

1. Плата управления токовой защитой;
2. Дроссель, выполняющий роль как фильтра напряжений +12В и +5В, так и функцию групповой стабилизации;
3. Дроссель фильтра напряжения +3,3В;
4. Радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений;
5. Трансформатор главного преобразователя;
6. Трансформатор, управляющий ключами главного преобразователя;
7. Трансформатор вспомогательного преобразователя (формирующий дежурное напряжение);
8. Плата контроллера коррекции коэффициента мощности;
9. Радиатор, охлаждающий диодный мост и ключи главного преобразователя;
10. Фильтры сетевого напряжения от помех;
11. Дроссель корректора коэффициента мощности;
12. Конденсатор фильтра сетевого напряжения.

Конструктивные особенности и типы разъемов

Рассмотрим виды разъемов, которые могут присутствовать на блоке питания. На задней стенке блока питания размещается разъем для подключения сетевого кабеля и выключатель. Раньше рядом с разъемом сетевого шнура размещался также разъем для подключения сетевого кабеля монитора. Опционально могут присутствовать и другие элементы:

• индикаторы сетевого напряжения, или состояния работы блока питания;
• кнопки управления режимом работы вентилятора;
• кнопка переключения входного сетевого напряжения 110 / 220В;
• USB-порты встроенные в блок питания USB hub;
• другое.

На задней стенке все реже размещают вентиляторы, вытягивающие из блока питания воздух. Все чаше вентилятор размещают в верхней части блока питания из-за большего пространства для установки вентилятора, что позволяет установить большой и тихий активный элемент охлаждения. На некоторых блоках питаниях устанавливают даже два вентилятора и сверху и сзади.

Блок питания Chieftec CFT-1000G-DF.

С передней стенки выходит провод с разъемом подключения питания материнской платы. В некоторых блоках питаниях, модульных, он, как и другие провода, подключается через разъем. Ниже на рисунке указана распиновка контактов всех основных разъемов.

Можно заметить, что каждое напряжение имеет свой цвет провода:

• Желтый цвет - +12 В,
• Красный цвет - +5 В,
• Оранжевый цвет - +3,3В,
• Черный цвет - общий или земля.

Для остальных напряжений цвета проводов у каждого производителя могут варьироваться.

На рисунке не отображены разъемы дополнительного питания видеокарт, так как они подобны разъема дополнительного питания процессора. Также существуют другие виды разъемов, которые встречаются в компьютерах фирменной сборки компаний DelL, Apple и других.

Электрические параметры и характеристики блоков питания

Блок питания имеет множество электрических параметров, большинство из которых не отмечаются в паспорте. На боковой наклейке блока питания отмечается обычно только несколько основных параметров - рабочие напряжения и мощность.

Мощность блока питания

Мощность часто обозначают на этикетке большим шрифтом. Мощность блока питания, характеризует, сколько он может отдать электрической энергии подключаемым к нему приборам (материнская плата, видеокарта, жесткий диск и др.).

По идее, достаточно просуммировать потребление используемых компонентов и выбрать блок питание немного большей мощности для запаса. Для подсчета мощности можно воспользоваться, например сайтом http://extreme.outervision.com/PSUEngine , также вполне годятся рекомендации указанные в паспорте видеокарты, если таковой есть, тепловой пакет процессора и т.д.

Но на самом деле все намного сложнее, т.к. блок питания выдает различные напряжения - 12В, 5В, -12В, 3,3В и др. Каждая линия напряжения рассчитана на свою мощность. Логично было подумать, что эта мощность фиксированная, а сума их равна мощности блока питания. Но в блоке питания стоит один трансформатор для генерации всех этих напряжений, используемых компьютером (кроме дежурного напряжения +5В). Правда, редко, но все же можно найти блок питания с двумя раздельными трансформаторами, но такие источники питания дорогие и чаще всего используются в серверах. Обычные же БП ATX имеют один трансформатор. Из-за этого мощность каждой линии напряжений может плавать: увеличивается, если другие линии слабо нагружены, и уменьшаться, если остальные линии сильно нагружены. Поэтому часто на блоках питаниях пишут максимальную мощность каждой линии, и в результате, если их просуммировать, выйдет мощность даже больше, чем действительная мощность блока питания. Таким образом, производитель может запутать потребителя, например, заявляя слишком большую номинальную мощность, которую БП обеспечить не способен.

Отметим, что если в компьютере установлен блок питания недостаточной мощности, то это вызовет некоренную работу устройств («зависания», перезагрузки, щелкание головок жесткого диска), вплоть до невозможности включения компьютера. А если в ПК установлена материнская плата, которая не рассчитана на мощность компонентов, которые на ней установлены, то зачастую материнская плата функционирует нормально, но со временем разъемы подключения питания выгорают вследствие постоянного их нагрева и окисления.

Обгоревшие разъемы.

Допустимый максимальный ток линии

Хоть это и один из важных параметров блока питания, зачастую пользователь при покупке не обращает на него внимания. А ведь при превышении допустимого тока на лини блок питания выключается, т.к. срабатывает защита. Для ее отключения необходимо выключить блок питания от сети и подождать некоторое время, около минуты. Стоит учесть, что сейчас все самые прожорливые компоненты (процессор, видеокарта) питаются от линии +12В, поэтому в большей степени надо уделять внимание значениям указанных для нее токов. У качественных БП эта информация, обычно, вынесена в виде таблички (например, Seasonic M12D-850) или списка (например, FSP ATX-400PNF) на боковую наклейку.

Источники питания, у которых такая информация не указана (например, Gembird PSU7 550W), сразу же заставляют усомниться в качестве исполнения и соответствии заявленной мощности реальной.

Остальные параметры блоков питания не регламентируются, но не менее важны. Определить эти параметры возможно только проведя различные тесты с блоком питания.

Диапазон рабочих напряжений

Под диапазоном рабочих напряжений подразумевают интервал значений сетевого напряжения, при котором блок питания сохраняет работоспособность и значения своих паспортных параметров. Сейчас все чаще производятся блоки питания с АККМ (активный корректор коэффициента мощности), который позволяет расширить диапазон рабочих напряжений от 110 до 230. Также имеются блоки питания с малым рабочим диапазоном напряжений, например блок питания компании FPS FPS400-60THN-P имеет диапазон от 220 до 240. В результате этот блок питания, включенный даже в паре с массовым источником бесперебойного питания, будет выключаться при падениях напряжения в сети. Это вызвано тем, что обычный ИБП стабилизирует выходное напряжение в диапазоне 220 В +/- 5%. То есть минимальное напряжение для перехода на батарею составит 209 (а если учесть медленность переключения реле, то напряжение может оказаться еще меньше), что ниже рабочего напряжения блока питания.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление характеризует внутренние потери блока питания при протекании тока. Внутреннее сопротивление по типу можно разделить на два вида: обычное по постоянному току и дифференциальное по переменному току.

Эквивалентная схема замещения блока питания.

Сопротивление по постоянному току складывается из сопротивлений компонентов, из которых построен блок питания: сопротивление проводов, сопротивление обмоток трансформатора, сопротивление проводов дросселя, сопротивление дорожек печатной платы и др. Из-за наличия этого сопротивления с ростом загруженности блока питания напряжение падает. Это сопротивление можно увидеть, построив кросс-нагрузочную характеристику БП. Для уменьшения этого сопротивления в блоках питания работают различные схемы стабилизации.

Кросс-нагрузочная характеристика блока питания.

Дифференциальное сопротивление характеризует внутренние потери блока питания при протекании переменного тока. Это сопротивление еще называется электрическим импедансом. Уменьшить это сопротивление наиболее сложно. Для его уменьшения в блоке питания используется ФНЧ. Для уменьшения импеданса не достаточно установить в блок питания конденсаторы большой емкости и катушки с большой индуктивностью. Необходимо еще чтобы конденсаторы имели низкое последовательное сопротивление (ESR), а дроссели были изготовлены из толстого провода. Реализовать это физически очень сложно.

Пульсации выходных напряжений

Блок питания представляет собой преобразователь, который не один раз преобразовывает напряжение с переменного в постоянное. Вследствие этого на выходе его линий присутствуют пульсации. Пульсации представляют собой резкое изменение напряжения в течение короткого интервала времени. Главная проблема пульсаций в том, что если в схеме или устройстве не стоит фильтр в цепи питания или он плохой, то эти пульсации проходят по всей схеме, искажая ее рабочие характеристики. Это можно увидеть, например, если выкрутить громкость колонок на максимум во время отсутствия сигналов на выходе звуковой карты. Будут слышны различные шумы. Это и есть пульсации, но не обязательно это шумы блока питания. Но если в работе обычного усилителя от пульсаций большого вреда нет, увеличиться только уровень шумов, то, например, в цифровых схемах и компараторах они могут привести к ложному переключению или неправильному восприятию входной информации, что приводит к ошибкам или неработоспособности устройства.

Форма выходных напряжений блока питания Antec Signature SG-850.

Стабильность напряжений

Далее рассмотрим такую характеристику как, стабильность напряжений, выдаваемых блоком питания. В процессе работы, какой идеальный не был бы блок питания, его напряжения изменяются. Увеличение напряжения вызывает в первую очередь увеличение токов покоя всех схем, а также изменение параметров схем. Так, например, для усилителя мощности увеличение напряжения увеличивает его выходную мощность. Увеличенную мощность могут не выдержать некоторые электронные детали и сгореть. Это же увеличение мощности приводит к росту рассеиваемой мощности электронными элементами, а, следовательно, к росту температуры этих элементов. Что приводит к перегреву и/или изменению характеристик.

Снижение напряжения наоборот уменьшает ток покоя, и также ухудшает характеристики схем, например амплитуду выходного сигнала. При снижении ниже определенного уровня определенные схемы перестают работать. Особенно к этому чувствительна электроника жестких дисков.

Допустимые отклонения напряжения на линиях блока питания описаны в стандарте ATX и в среднем не должны превышать ±5% от номинала линии.

Для комплексного отображения величины просадки напряжений используют кросс-нагрузочную характеристику. Она представляет собой цветовое отображение уровня отклонения напряжения выбранной линии при нагрузке двух линий: выбранной и +12В.

Коэффициент полезного действия

Перейдем теперь к коэффициенту полезного действия или сокращенно КПД. Со школы многие помнят - это отношение полезной работы к затраченной. КПД показывает сколько из потребленной энергии превратилось в полезную энергию. Чем выше КПД, тем меньше надо платить за электроэнергию потребляемую компьютером. Большинство качественных блоков питания имеют схожий КПД, он варьирует в диапазоне не больше 10%, но КПД блоков питания с ПККМ (PPFC) и АККМ (APFC) существенно выше.

Коэффициент мощности

Как параметр, на который следует обращать внимание при выборе БП, коэффициент мощности менее значим, но от него зависят другие величины. При малом значении коэффициента мощности будет и малое значение КПД. Как было отмечено выше, корректоры коэффициента мощности приносят множество улучшений. Больший коэффициент мощности приведет к снижению токов в сети.

Неэлектрические параметры и характеристики блоков питания

Обычно, как и для электрических характеристик, неэлектрические параметры в паспорте указывается далеко не все. Хотя неэлектрические параметры блока питания также важны. Перечислим основные из их:

• диапазон рабочих температур;
• надежность блока питания (время наработки на отказ);
• уровень шума создаваемый блоком питания при работе;
• частота вращения вентилятора блока питания;
• вес блока питания;
• длина питающих кабелей;
• удобность в использовании;
• экологичность блока питания;
• соответствие государственным и международным стандартам;
• габариты блока питания.

Большинство неэлектрических параметров понятны всем пользователям. Однако остановимся на более актуальных параметрах. Большинство современных блоков питания работают тихо, они имеют уровень шума около 16 дБ. Хотя даже в блок питания с паспортным уровнем шума 16 дБ может быть установлен вентилятор с частотой вращения 2000 об/мин. В этом случае, при нагрузке блока питания около 80%, схема управления скоростью вращения вентилятора включит его на максимальные обороты, что приведет к появлению значительного шума, порою более 30 дБ.

Также необходимо уделять внимание удобству и эргономике блока питания. Использование модульного подключения кабелей питания имеет массу достоинств. Это и более удобное подключение устройств, меньше занятого пространства в корпусе компьютера, что в свою очередь не только удобно, но улучшает охлаждение компонентов компьютера.

Стандарты и сертификаты

При покупке БП, в первую очередь необходимо посмотреть на наличие сертификатов и на соответствие его современным международным стандартам. На блоках питания чаще всего можно встретить указание следующих стандартов:

RoHS, WEEE - не содержит вредных веществ;

UL, cUL - сертификат на соответствие своим техническим характеристикам, а также требованиям безопасности для встроенных электроприборов;

CE - сертификат который показывает, что блок питания соответствует строжайшим требованиям директив европейского комитета;

ISO - международный сертификат качества;

CB - международный сертификат соответствия своим техническим характеристикам;

FCC - соответствие нормам электромагнитных наводок (EMI) и радионаводок (RFI), генерируемых блоком питания;

TUV - сертификат соответствия требованиям международного стандарта ЕН ИСО 9001:2000;

ССС - сертификат Китая соответствия безопасности, электромагнитным параметрам и защите окружающей среды.

Также есть компьютерные стандарты форм-фактора АТХ, в котором определены размеры, конструкция и многие другое параметры блока питания, включая допустимые отклонения напряжений при нагрузке. Сегодня существуют несколько версий стандарта АТХ:

• ATX 1.3 Standard;
• ATX 2.0 Standard;
• ATX 2.2 Standard;
• ATX 2.3 Standard.

Отличие версий стандартов АТХ в основном касается введения новых разъемов и новых требованиям к линиям питания блока питания.

Когда возникает необходимость покупки нового блока питания ATX, то вначале необходимо определится с мощностью, которая необходима для питания компьютера, в который этот БП будет установлен. Для ее определения достаточно просуммировать мощности компонентов, используемых в системе, например воспользовавшись калькулятором от outervision.com . Если нет такой возможности, то можно исходить из правила, что для среднестатистического компьютера с одной игровой видеокартой вполне хватает блока питания мощностью 500-600 ватт.

Учитывая, что большинство параметров блоков питания можно узнать только протестировав его, следующим этапом настоятельно рекомендуем ознакомиться с тестами и обзорами возможных претендентов - моделей блоков питания, которые доступны в вашем регионе и удовлетворяют ваши запросы как минимум по обеспечиваемой мощности. Если же таковой возможности нет, то выбирать необходимо по соответствию блока питания современным стандартам (чем большему числу, тем лучше), при этом желательно наличие в блоке питания схемы АККМ (APFC). Приобретая блок питания, также важно включить его, по возможности прямо на месте покупки или сразу по приходу домой, и проследить, как он работает, чтоб источник питания не издавал писков, гудений или другого постороннего шума.

В общем, необходимо выбрать блок питания, который был бы мощным, качественно сделанным, с хорошими заявленными и реальными электрическими параметрами, а также окажется удобным в эксплуатации и тихим во время работы, даже при высокой нагрузке на него. И ни в коем случае при покупке источника питания не стоит экономить пару долларов. Помните, что от работы этого устройства главным образом зависит стабильность, надежность и долговечность работы всего компьютера.

Статья прочитана 160228 раз(а)

Подписаться на наши каналы