Кпд обычного блока питания имеет величину. Как выбрать блок питания — критерии и характеристики

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.

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:

Плата управления токовой защитой;
Дроссель, выполняющий роль как фильтра напряжений +12В и +5В, так и функцию групповой стабилизации;
Дроссель фильтра напряжения +3,3В;
Радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений;
Трансформатор главного преобразователя;
Трансформатор, управляющий ключами главного преобразователя;
Трансформатор вспомогательного преобразователя (формирующий дежурное напряжение);
Плата контроллера коррекции коэффициента мощности;
Радиатор, охлаждающий диодный мост и ключи главного преобразователя;
Фильтры сетевого напряжения от помех;
Дроссель корректора коэффициента мощности;
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 167300 раз(а)

Подписаться на наши каналы

Здравствуйте, дорогие друзья. С вами как всегда Артём.

Сегодня поговорим о КПД (коэффициент полезного действия ) блока питания компьютера и о том, почему вам не нужен сверх мощный блока питания.

Что же такое КПД блока питания? Если говорить простым и понятным языком, то это отношение потребляемой энергии (мощности в Ваттах) из розетки, к отдаваемой энергии комплектующим компьютера.

Часть энергии расходуется на работу схемы блока питания, а также на нагрев компонентов во время его работы.

Чем КПД блока питания выше (ближе к 100%), тем меньше он потребляет из розетки, так как меньше энергии теряется на нагрев его компонентов, при работе.

Видео версия статьи:

Давайте рассмотрим простой и очень наглядный пример.

Есть блок питания, с номинальной мощностью в 600 Ватт, а его КПД равен 70%.

Сколько же он будет потреблять из розетки при максимальной нагрузке?

600 Ватт x 100%/70% = 857 Ватт.

То есть такой блок питания при максимальной нагрузке отдаст 600 Ватт комплектующим компьютера, а фактически из розетки будет потреблять на целых 257 Ватт больше!

При более высоком КПД и той же самой мощности блока питания, фактическое потребление из розетки снизится (как и счета за свет).

60-75 процентов – это типичный КПД для блока питания компьютера.

Однако в 2007 году появилась сертификация 80 Plus, которая значительно повысила уровень КПД блоков питания. Изначально никаких дополнительных приставок, Silver, Gold и так далее не было.

Они появились позже, увеличив КПД блока питания на несколько процентов каждый.

80 Plus сертификация проходила только для напряжения питания 115 Вольт. Позже все последующие сертификации избавились от этого недостатка и уже тестировались при напряжении питания 230 Вольт.

На скриншоте вы видите все показатели, для каждой сертификации 80 Plus.

Как видно, максимальный КПД достигается при уровне нагрузки от 50% и падает при 100% нагрузке.

Теперь рассчитаем фактическое потребление из розетки, блока питания мощностью 600 Ватт, при 50% нагрузке от комплектующих компьютера.

705 Ватт 80 Plus Silver

674 Ватта 80 Plus Bronze

652 Ватта 80 Plus Gold

638 Ватт 80 Plus Platinum

625 Ватт 80 Plus Titanium

P.S. Блоки питания с последними двумя стандартами, довольно дороги.

Как правило тут переплачивать нет особого смысла. Это конечно же моё личное мнение. Хотя для мощности свыше 1000 Ватт, эти стандарты будут вполне актуальны.

На специальном сайте, можно посмотреть какие конкретно модели блоков питания прошли сертификацию по стандартам 80 Plus:

Посчитаем на сколько больше лишних Ватт, потребит блок питания за год, с разной сертификацией.

– 306 Киловатт. Компьютер работает 8 часов вдень, до 50% нагрузки на блок питания, 365 дней. Сертификат 80 Plus Silver, мощность БП 600 Ватт .

(705 Ватт полное потребление. 705 Ватт – 600 Ватт (номинальная отдаваемая мощность) =105 Ватт. 105 Ватт x 8 часов x 365 дней = 306.600 Ватт = 306 Киловатт).

– 151 Киловатт. Компьютер работает 8 часов вдень, до 50% нагрузки на блок питания, 365 дней. Сертификат 80 Plus Gold, мощность БП 600 Ватт .

(705 Ватт полное потребление. 652 Ватт – 600 Ватт (номинальная отдаваемая мощность) =52 Ватта. 52 Ватта x 8 часов x 365 дней = 151.840 Ватт = 151 Киловатт).

151 Киловатт/365 дней= 25,5 Киловатт в месяц 80 Plus Silver.

306 Киловатт/365 дней = 12,5 Киловатт в месяц 80 Plus Gold.

Таким образом, с блоком питания 80 Plus Gold, можно фактически уменьшить количество лишних потребляемых Ватт в два раза.

Бывает, что люди покупают сверх мощные блоки питания для своих систем. Конечно, запас в процентов 30 нужно иметь, но всё должно быть в разумных пределах.

Ваша система, при максимальной нагрузке (когда вы играете, рендерите видео и так далее), должна нагружать блок питания как минимум на 50%, только при этом блок питания сможет достигнуть максимального уровня КПД и соответственно экономии электроэнергии.

Поэтому не нужно покупать какой нибудь Киловаттник, для системы из GTX 1080 и Core i7 7700K. Мало того, что вы попросту переплачиваете за ненужную избыточную мощность, да ещё и за рост фактического энергопотребления из розетки.

Конечно блок питания не должен иметь слишком маленькую мощность, для системы в нагрузке,но это и не обсуждается.

P.S. Посмотреть сколько же примерно будет потреблять ваша система, можно на сайтах калькуляторах мощности блоков питания.

Я надеюсь, что вам стало понятно, что такое КПД блока питания компьютера и на что оно влияет в конечном итоге.

! Пишите в комментариях, какой блок питания установлен у вас (мощность и сертификация, если есть) и какую систему он питает. Мне будет интересно прочитать.

Если вам понравился видео ролик и статья, то поделитесь ими с друзьями в социальных сетях.

Чем больше у меня читателей и зрителей, тем больше мотивации создавать новый и интересный контент:)

Также не забывайте вступать в группу Вконтакте и подписываться на YouTube канал.

Наиболее распространенный вариант БП подразумевает преобразование 220 Вольт переменного напряжения (U) в пониженное постоянное. Кроме этого, блоки питания могут осуществлять гальваническую развязку между входными и выходными цепями. При этом коэффициент трансформации (отношение входного и выходного напряжений) может быть равным единице.

Примером такого использование может служить энергоснабжение помещений с высокой степенью опасности поражения электрическим током, например, ванных комнат.

Кроме того, достаточно часто бытовые блоки питания могут оснащаться встроенными дополнительными устройствами: стабилизаторами, регуляторами. индикаторами и пр.

ВИДЫ И ТИПЫ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

В первую очередь классификация источников питания осуществляется по принципу действия. Основных вариантов здесь два:

трансформаторный (линейный);
импульсный (инверторный).

Трансформаторный блок состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный. Далее устанавливается фильтр (конденсатор), сглаживающий пульсации и прочие элементы (стабилизатор выходных параметров, защита от коротких замыканий, фильтр высокочастотных (ВЧ) помех).

Преимущества трансформаторного блока питания:

высокая надежность;
ремонтопригодность;
простота конструкции;
минимальный уровень помех или их отсутствие;
низкая цена.

Недостатки - большой вес, крупные габариты и небольшой КПД.

Импульсный блок питания - инверторная система, в которой происходит преобразование переменного напряжения в постоянное, после чего генерируются высокочастотные импульсы, которые проходят ряд дальнейших преобразований (). В устройстве с гальванической развязкой импульсы передаются к трансформатору, а при отсутствии таковой - напрямую к НЧ фильтру на выходе устройства.

Благодаря формированию ВЧ сигналов, в импульсных блоках питания применяются малогабаритные трансформаторы, что позволяет уменьшить размеры и вес устройства. Для стабилизации напряжения используется отрицательная обратная связь, благодаря которой на выходе поддерживается постоянный уровень напряжения, не зависящий от величины нагрузки.

Достоинства импульсного блока питания:

компактность;
небольшой вес;
доступная цена и высокий КПД (до 98%).

Кроме того, следует отметить наличие дополнительных защит, обеспечивающих безопасность применения устройства. В таких БП часто предусмотрена защита от короткого замыкания (КЗ) и выхода из строя при отсутствии нагрузки.

Минусы - работа большей составляющей схемы без гальванической развязки, что усложняет ремонт. Кроме того, устройство является источником помех высокой частоты и имеет ограничение на нижний предел нагрузки. Если мощность последней меньше допустимо параметра, агрегат не запустится.

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА ПИТАНИЯ

При выборе блока питания стоит принимать во внимание ряд характеристик, среди которых:

мощность;
выходное напряжение и ток;
а также наличие дополнительных опций и возможностей.

Мощность.

Параметр, который измеряется в Вт или В*А. При выборе устройства стоит брать во внимание наличие пусковых токов у многих электроприемников (насосов, поливных систем, холодильников и прочих). В момент пуска потребляемая мощность вырастает в 5-7 раз.

Что касается остальных случаев, блок питания выбирается с учетом суммарной мощности питающихся приборов с рекомендуемым запасом в 20-30%.

Входное напряжение.

В России этот параметр составляет 220 Вольт. Если использовать БП в Японии или США, потребуется устройство с входным напряжением на 110 Вольт. Кроме того, для инверторных блоков питания эта величина может составлять - 12/24 Вольта.

Выходное напряжение.

При выборе прибора стоит ориентироваться на номинальное напряжение применяемого потребителя (указывается на корпусе прибора). Это может быть 12 Вольт, 15,6 Вольта и так далее. При выборе стоит покупать изделие, максимально приближенное к требуемому параметру. Например, для питания устройства на 12,1 V подойдет блок на 12 V.

Тип выходного напряжения.

Большая часть приборов питается от стабилизированного постоянного напряжения, но есть и те, которым подойдет постоянное нестабилизированное или переменное. С учетом этого критерия выбирается и конструкция. Если потребителю достаточно нестабилизированного постоянного U на входе, БП со стабилизированным напряжением на выходе также подойдет.

Выходной ток.

Параметр этот может и не указываться, но при знании мощности его можно рассчитать. Мощность (P) равна напряжению (U), умноженному на ток (I). Следовательно, для расчета тока необходимо мощность поделить на напряжение. Имеющийся параметр пригодится для выбора подходящего блока питания под конкретную нагрузку.

По-хорошему рабочий ток должен превышать на 10-20% максимально потребляемый ток устройства.

Коэффициент полезного действия.

Большая мощность блока питания - еще не гарантия хорошей работы. Не менее важным параметром является КПД, отражающий эффективность преобразования энергии, и ее передачи к прибору. Чем выше КПД, тем эффективнее используется блок, и тем меньше энергии идет на нагрев.

Защита от перегрузок.

Многие источники оборудованы защитой от перегрузок, обеспечивающей отключение БП в случае превышения уровня тока, потребляемого из сети.

Защита от глубокого разряда.

Ее задача заключается в разрыве цепи питания при полном разряде АКБ (характерно для бесперебойных БП). После восстановления питания работоспособность устройства восстанавливается.

Кроме перечисленных выше опций, в блоке питания может быть предусмотрена защита от КЗ, от перегрева, перегрузки по току, повышенному и пониженному напряжению.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

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

1. Выбор блока питания

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

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

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

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

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

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

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

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

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

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

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

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

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

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

2. Правила безопасности

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

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

3.1. Закон Ома для участка цепи

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

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

Рис.1

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

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

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

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

Рис.2

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

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

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

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

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

4. Начинка

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

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

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

4.2.1. Четвертьмост

Рис.3

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

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Рис.4

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

4.2.3. Полный мост

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

Рис.5

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

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

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

Емкость сглаживающего конденсатора можно вычислить по формуле

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

4.3. Фильтрация

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

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

Рис.6

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

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

Рис.7

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

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

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

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

Рис.8

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

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

Рис.9

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

4.3.3 Помехозащитные фильтры

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

Рис.10

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

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

Рис.11

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

4.4. Стабилизация

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

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

Рис.12

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

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

4.4.2. Эмиттерный повторитель

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

Рис.13

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

4.4.3. Наращивание напряжения стабилизации

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

Рис.14

Как и для любой последовательной цепи, здесь работает правило

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

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

4.4.4. Наращивание тока нагрузки

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

Рис.15

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

4.4.5. Регулировка выходного напряжения

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

Рис.16

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

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

Рис.17

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

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

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

Импульсные БП будут рассмотрены во второй части статьи.

Содержание:

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае - заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется .

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД - коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А - работа выполненная потребителем, Q - энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

Полезная работа - Аполез = qU = IUt = I2Rt.
Полная работа - Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

Полезная мощность - Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
Полная мощность - Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Для определения , в соответствии с законом Ома, существует следующее уравнение: i = E/(R + r), в котором Е является электродвижущей силой источника тока, а r - его внутренним сопротивлением. Это постоянные величины, которые не зависят от переменного сопротивления R. С их помощью можно определить полезную мощность, потребляемую электрической цепью:

W1 = i x U = i2 x R. Здесь R является сопротивлением потребителя электроэнергии, i - ток в цепи, определяемый предыдущим уравнением.

Таким образом, значение мощности с использованием конечных переменных будет отображаться в следующем виде: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Поскольку представляет собой промежуточную переменную, то в этом случае функция W1(R) может быть проанализирована на экстремум. С этой целью нужно определить значение R, при котором величина первой производной полезной мощности, связанная с переменным сопротивлением (R) будет равной нулю: dW1/dR = E2 x [(R + r)2 - 2 x R x (R + r)] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r)4 (R + r)3

Из данной формулы можно сделать вывод, что значение производной может быть нулевым лишь при одном условии: сопротивление приемника электроэнергии (R) от источника тока должно достичь величины внутреннего сопротивления самого источника (R => r). В этих условиях значение коэффициента полезного действия η будет определяться как соотношение полезной и полной мощности источника тока - W1/W2. Поскольку в максимальной точке полезной мощности сопротивление потребителя энергии источника тока будет таким же, как и внутреннее сопротивление самого источника тока, в этом случае КПД составит 0,5 или 50%.