Многие пользователи, которые пытаются разобраться в устройстве своего ПК, не понимают, что такое БП в компьютере. А между тем, это один из самых важных элементов в системе, без которого вообще ни одно комплектующее работать не будет. Давайте разберемся, что собой представляют блоки питания, определим их устройство, виды, плюсы и минусы.

Определение

Что такое БП в компьютере? Если сказать коротко, это - устройство для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное для питания всех комплектующих в системном блоке. В частности, блок питания подает напряжение на компоненты: видеокарту, оперативную память, жесткий диск, сетевую карту, процессор, подключенные периферийные устройства. Если все эти комплектующие подключить напрямую к сети 220 В, то они просто сгорят. Комплектующие для работы требуют наличия напряжения 12 или 24 В (в основном), и задача блока питания - дать требуемое напряжение.

Также есть и другая задача этого элемента - защищать комплектующие компьютера от возможных перепадов напряжения. По сути, это устройство изменения сетевого напряжения, которое выглядит как небольшая черная коробка с вентилятором. Она устанавливается в системный блок, и именно в нее входит сетевой кабель.

Требуемое напряжение

Питание БП компьютера осуществляется от сети с напряжением 220 В. Но в разных странах напряжение тока и его частота в сети могут различаться. Например, в России и в большинстве европейских стран напряжение в сети составляет 220/230 В при частоте 50 Гц. Однако в США напряжение в сети равно 120 В при частоте 60 Гц. Австралия в этом плане тоже отличается - там напряжение равно 240 В/50 Гц. Следовательно, при создании блока питания учитывают параметры сети той страны, в которую планируются поставки. То есть, если привезти в Россию блок питания, купленный в США, то он, вероятнее всего, работать не будет.

Есть также универсальные блоки питания со специальным регулятором напряжения. То есть на блоке можно выставить значение напряжения в сети, и прибор самостоятельно будет адаптирован к нему.

Если компьютер не включается при нажатии на кнопку включения, то в первую очередь причину нужно искать именно в блоке и при необходимости заменять его. К сожалению, недорогие модели, которыми сегодня завален рынок России, ломаются слишком часто.

Мощность БП компьютера

Сегодня есть много разных блоков, которые способны выдавать мощность в огромном диапазоне. В современных ноутбуках мощность может варьироваться в диапазоне 25-100 Вт. Что касается персональных компьютеров, то здесь в зависимости от энергопотребления комплектующих можно использовать БП на 2000 Вт.

Среди пользователей ходят слухи, что чем мощнее будет блок, тем лучше, хотя на самом деле это не совсем так. Не каждому пользователю нужно столь мощное и дорогое устройство. Если рассудить, то приобретение дорогого и мощного БП для слабого компьютера - это бесполезная трата денег не только при покупке самого агрегата, но и при эксплуатации, так как он будет потреблять много лишней электроэнергии.

Впрочем, на сегодняшний день на полках магазинов в основном представлены устройства на 400-500 Вт. Мощности таких комплектующих вполне достаточно для обеспечения питанием стандартного компьютера с хорошим "железом". Но стабильную работу мощного игрового компьютера они обеспечить не способны.

Виды и различия БП

Теперь, когда мы понимаем, что такое БП в компьютере, можно поговорить про их виды и отличительные особенности. Сегодня существуют импульсные и трансформаторные блоки. Каждый вид имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо рассмотреть подробнее.

Трансформаторные

Это самый распространенный вид, который продается чаще всего. В большинстве современных системах практически не используется подобное устройство БП компьютера, которое представлено следующими элементами:

1. Трансформатор.
2. Выпрямитель.
3. Сетевой фильтр.

Один из таких блоков показан на фото ниже.

Принцип работы

Принцип работы такого устройства относительно прост: через первичную обмотку трансформатор принимает на себя напряжение сети. Затем с помощью выпрямителя переменный разнонаправленный ток преобразовывается в постоянный и однонаправленный. При этом может использоваться разные выпрямители: одно- или двухполупериодный. В любом случае применяются диодные мосты, которые состоят из:

1. Двух диодов - в первом типе.
2. Четырех диодов - во втором типе.

Применение двух элементов в выпрямителе характерно для БК с удвоенным напряжением либо в трехфазных устройствах.

Сетевой фильтр в устройстве БП компьютера - это обычный конденсатор с большой емкостью. Он сглаживает пульсации тока, из-за чего на комплектующие подается относительно чистый и равномерный ток.

Также вместо обычных трансформаторов внутри таких блоков могут использоваться автоматические устройства.

Работа трансформаторных БП

Чтобы детальнее понять, что такое БП в компьютере и как они работают, нужно иметь хотя бы начальные знания законов электротехники. Габариты блоков питания трансформаторного типа напрямую зависят от габаритов используемых внутри трансформаторов. Размеры устройств высчитываются по формуле:

В этой формуле:

1. N - число витков на 1 В напряжения;
2. f - частота тока (переменного);
3. B - образующаяся в магнитопроводе индукция магнитного поля;
4. S - площадь сечения магнитопровода.

Следовательно, чем будет больше витков и сечение провода, тем и трансформатор будет больше. Это влечет за собой увеличение габаритов самого блока. Однако если сечение провода уменьшить, то придется увеличить количество витков (N), что не удастся в компактных трансформаторах. Если трансформатор является маломощным, то много витков с малым сечением не повлияет на работу самого блока питания, так как сила тока в подобных устройствах будет низкой. Однако при повышением мощности ток будет расти, что приведет к рассеиванию тепловой мощности.

Следовательно, трансформаторные блоки питания с частотой работы 50 Гц могут быть только большими и тяжелыми. Подобные устройства непрактично использовать в современных компьютерах в силу их веса и габаритов, а также низкого КПД.

Однако есть и положительные стороны: надежность и простота, удобство ремонта (все элементы легко заменить в случае поломки), отсутствие радиопомех.

Импульсные блоки питания

В этих устройствах используются иные конструкторские решения, позволяющие увеличить частоту тока. Ниже представлен классический БП подобного типа.

Работает подобный блок питания следующим образом:

1. Переменный ток из сети поступает в устройство, выпрямляется и становится постоянным.
2. Постоянный ток конвертируется в частотные импульсы.
3. Эти импульсы поступают на трансформатор. Если предусмотрена гальваническая развязка, то прямоугольные импульсы поступают на выходной ФНЧ.

Отметим, что есть кардинальные отличия между этими двумя типами БП. В частности импульсные отличаются следующими особенностями:

1. При повышение частоты тока возрастает КПД трансформатора.
2. Требования к сечению сердечника минимальные.
3. Возможность создания компактных и легких блоков питания за счет установки эффективных и небольших трансформаторов.
4. Применение отрицательной обратной связи дает возможность стабилизировать выходное напряжение, что положительно повлияет на стабильность работы всех комплектующих и системы в целом.

Достоинства импульсных блоков питания

1. Высокий КПД, который достигает 92-98%.
2. Малый вес и габариты.
3. Надежность.
4. Возможность работы в широком частотном диапазоне. Один и тот же импульсный блок способен работать в разных странах мира.
5. Защита от короткого замыкания.
6. Низкая стоимость.

1. Плохая ремонтопригодность. Если обычный трансформаторный блок легко отремонтировать, заменив практически любой элемент на плате, то с импульсным устройством все сложнее. Поэтому переделка БП компьютера импульсного типа считается сложной задачей. Ремонт в мастерской может обойтись дорого.
2. Излучение высокочастотных помех.

Теперь мы выяснили, что такое БП в компьютере и как они работают. На данный момент на рынке продаются в основном импульсные приборы, а трансформаторные практически отсутствуют.

Как проверить БП компьютера?

Если компьютер не включается, то проблема может заключаться именно в БП. Для проверки устройства нам понадобится мультиметр. Итак, перед тем, как проверить БП компьютера на работоспособность, необходимо отключить все комплектующие и сам БП. Затем берем обычную скрепку, распрямляем ее в форме U. Берем коннектор на 20/24 пина (самый большой) и с помощью нашей скрепки замыкаем черный и зеленый контакты. Учитывая, что пальцы будут касаться металла, нужно убедиться, что блок питания отключен от розетки.

Теперь опускаем скрепку и включаем БП в розетку. Если вентилятор начал вращаться при включении устройства, то значит, что оно рабочее.

Теперь необходимо замерить напряжение на разъемах. В зависимости от модели блока питания напряжение на разъемах может немного отличаться. Поэтому в инструкции (или в интернете) необходимо найти информацию о том, какие параметры напряжения должны быть на разных разъемах и замерить их мультиметром. Если параметры отличаются от нормальных, то значит, что с БП что-то не так.

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

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

Определение потребности

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

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

Пальцем в небо

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

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

Стандарты и потери мощности

Чем больше, тем лучше

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

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

Лидер продаж

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

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

Кому отдать предпочтение?

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

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

В заключение

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

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.

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.

⇡ 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.

Современные блоки питания для ПК являются довольно сложными устройствами. При покупке компьютера мало кто обращает внимание на марку предустановленного в системе БП. Впоследствии некачественное или недостаточное питание может вызвать ошибки в программной среде, стать причиной потери данных на носителях и даже привести к выходу из строя электроники ПК. Понимание хотя бы базовых основ и принципов функционирования блоков питания, а также умение определить качественное изделие позволит избежать различных проблем и поможет обеспечить долговременную и бесперебойную работу любого компьютера.

Компьютерный блок питания состоит из нескольких основных узлов. Детальная схема устройства представлена на рисунке. При включении сетевое переменное напряжение подается на входной фильтр , в котором сглаживаются и подавляются пульсации и помехи. В дешевых блоках этот фильтр часто упрощен либо вообще отсутствует.

Далее напряжение попадает на инвертор сетевого напряжения . В сети проходит переменный ток, который меняет потенциал 50 раз в секунду, т. е. с частотой 50 Гц. Инвертор же повышает эту частоту до десятков, а иногда и сотен килогерц, за счет чего габариты и масса основного преобразующего трансформатора сильно уменьшаются при сохранении полезной мощности. Для лучшего понимания данного решения представьте себе большое ведро, в котором за раз можно перенести 25 л воды, и маленькое ведерко емкостью 1 л, в котором можно перенести такой же объем за то же время, но воду придется носить в 25 раз быстрее.

Импульсный трансформатор преобразовывает высоковольтное напряжение от инвертора в низковольтное. Благодаря высокой частоте преобразования мощность, которую можно передать через такой небольшой компонент, достигает 600-700 Вт. В дорогих БП встречаются два или даже три трансформатора.

Рядом с основным трансформатором обычно имеются один или два меньших, которые служат для создания дежурного напряжения, присутствующего внутри блока питания и на материнской плате всегда, когда к БП подключена сетевая вилка. Этот узел вместе со специальным контроллером отмечен на рисунке цифрой .

Пониженное напряжение поступает на быстрые выпрямительные диодные сборки, установленные на мощном радиаторе . Диоды, конденсаторы и дроссели сглаживают и выпрямляют высокочастотные пульсации, позволяя получить на выходе почти постоянное напряжение, которое идет далее на разъемы питания материнской платы и периферийных устройств.

В недорогих блоках применяется так называемая групповая стабилизация напряжений. Основной силовой дроссель сглаживает только разницу между напряжениями +12 и +5 В. Подобным образом достигается экономия на количестве элементов в БП, но делается это за счет снижения качества стабилизации отдельных напряжений. Если возникает большая нагрузка на каком-то из каналов, напряжение на нем снижается. Схема коррекции в блоке питания, в свою очередь, повышает напряжение, стараясь компенсировать недостачу, но одновременно возрастает напряжение и на втором канале, который оказался малонагруженным. Налицо своеобразный эффект качелей. Отметим, что дорогие БП имеют выпрямительные цепи и силовые дроссели, полностью независимые для каждой из основных линий.

Кроме силовых узлов в блоке есть дополнительные - сигнальные. Это и контроллер регулировки оборотов вентиляторов, часто монтируемый на небольших дочерних платах , и схема контроля за напряжением и потребляемым током, выполненная на интегральной микросхеме . Она же управляет работой системы защиты от коротких замыканий, перегрузки по мощности, перенапряжения или, наоборот, слишком низкого напряжения.

Зачастую мощные БП оснащены активным корректором коэффициента мощности. Старые модели таких блоков имели проблемы совместимости с недорогими источниками бесперебойного питания. В момент перехода подобного устройства на батареи напряжение на выходе снижалось, и корректор коэффициента мощности в БП интеллектуально переключался в режим питания от сети 110 В. Контроллер бесперебойного источника считал это перегрузкой по току и послушно выключался. Так вели себя многие модели недорогих ИБП мощностью до 1000 Вт. Современные блоки питания практически полностью лишены данной «особенности».

Многие БП предоставляют возможность отключать неиспользуемые разъемы, для этого на внутренней торцевой стенке монтируется плата с силовыми разъемами . При правильном подходе к проектированию такой узел не влияет на электрические характеристики блока питания. Но бывает и наоборот, некачественные разъемы могут ухудшать контакт либо неверное подключение приводит к выходу комплектующих из строя.

Для подключения комплектующих к БП используется несколько стандартных типов штекеров: самый крупный из них - двухрядный - служит для питания материнской платы. Ранее устанавливались двадцатиконтактные разъемы, но современные системы имеют большую нагрузочную способность, и в результате штекер нового образца получил 24 проводника, причем часто добавочные 4 контакта отсоединяются от основного набора. Кроме силовых каналов нагрузки, на материнскую плату передаются сигналы управления (PS_ON#, PWR_OK), а также дополнительные линии (+5Vsb, -12V). Включение проводится только при наличии на проводе PS_ON# нулевого напряжения. Поэтому, чтобы запустить блок без материнской платы, нужно замкнуть контакт 16 (зеленый провод) на любой из черных проводов («земля»). Исправный БП должен заработать, и все напряжения сразу же установятся в соответствии с характеристиками стандарта ATX. Сигнал PWR_OK служит для сообщения материнской плате о нормальном функционировании схем стабилизации БП. Напряжение +5Vsb используется для питания USB-устройств и чипсета в дежурном режиме (Standby) работы ПК, а -12 - для последовательных портов RS-232 на плате.

Стабилизатор процессора на материнской плате подключается отдельно и использует четырех- либо восьмиконтактный кабель, подающий напряжение +12 В. Питание мощных видеокарт с интерфейсом PCI-Express осуществляется по одному 6-контактному либо по двум разъемам для старших моделей. Существует также 8-контактная модификация данного штекера. Жесткие диски и накопители с интерфейсом SATA используют собственный тип контактов с напряжениями +5, +12 и +3,3 В. Для старых устройств подобного рода и дополнительной периферии имеется 4-контактный разъем питания с напряжениями +5 и +12 В (так называемый molex).

Основное потребление мощности всех современных систем, начиная с Socket 775, 754, 939 и более новых, приходится на линию +12 В. Процессоры могут нагружать данный канал токами до 10-15 А, а видеокарты до 20-25 А (особенно при разгоне). В итоге мощные игровые конфигурации с четырехъядерными CPU и несколькими графическими адаптерами запросто «съедают» 500-700 Вт. Материнские платы со всеми распаянными на РСВ контроллерами потребляют сравнительно мало (до 50 Вт), оперативная память довольствуется мощностью до 15-25 Вт для одной планки. А вот винчестеры, хоть они и неэнергоемкие (до 15 Вт), но требуют качественного питания. Чувствительные схемы управления головками и шпинделем легко выходят из строя при превышении напряжения +12 В либо при сильных пульсациях.

На наклейках блоков питания часто указывают наличие нескольких линий +12 В, обозначаемых как +12V1, +12V2, +12V3 и т. д. На самом деле в электрической и схемотехнической структуре блока они в абсолютном большинстве БП представляют собой один канал, разделенный на несколько виртуальных, с различным ограничением по току. Данный подход применен в угоду стандарту безопасности EN-60950, который запрещает подводить мощность свыше 240 ВА на контакты, доступные пользователю, поскольку при возникновении замыкания возможны возгорания и прочие неприятности. Простая математика: 240 ВА/12 В = 20 А. Поэтому современные блоки обычно имеют несколько виртуальных каналов с ограничением по току каждого в районе 18-20 А, однако общая нагрузочная способность линии +12 В не обязательно равна сумме мощностей +12V1, +12V2, +12V3 и определяется возможностями используемого в конструкции преобразователя. Все заявления производителей в рекламных буклетах, расписывающие огромные преимущества от множества каналов +12 В, - не более чем умелая маркетинговая уловка для непосвященных.

Многие новые блоки питания выполнены по эффективным схемам, поэтому выдают большую мощность при использовании маленьких радиаторов охлаждения. Примером может служить распространенная платформа FSP Epsilon (FSPxxx-80GLY/GLN), на базе которой построены БП нескольких производителей (OCZ GameXStream, FSP Optima/Everest/Epsilon).

Современные мощные видеокарты потребляют большое количество энергии, поэтому давно подключаются отдельными кабелями к БП независимо от материнской платы. Новейшие модели оснащаются шести- и восьмиконтактными штекерами. Часто последний имеет отстегивающуюся часть, для удобства подсоединения к меньшим разъемам питания видеокарт.

Надеемся, что после рассмотрения основных узлов блоков питания читателям уже понятно: за последние годы конструкция БП стала значительно сложнее, она подверглась модернизации и сейчас для полноценного всестороннего тестирования требует квалифицированного подхода и наличия специального оборудования. Невзирая на общее повышение качества доступных рядовому пользователю блоков, существуют и откровенно неудачные модели. Поэтому при выборе конкретного экземпляра БП для вашего компьютера нужно ориентироваться на подробные обзоры данных устройств и внимательно изучать каждую модель перед покупкой. Ведь от блока питания зависит сохранность информации, стабильность и долговечность работы компонентов ПК в целом.

Краткий словарь терминов

Суммарная мощность - долговременная мощность потребления нагрузкой, допустимая для блока питания без его перегрева и повреждений. Измеряется в ваттах (Вт, W).

Конденсатор, электролит - устройство для накопления энергии электрического поля. В БП используется для сглаживания пульсаций и подавления помех в схеме питания.

Дроссель - свернутый в спираль проводник, обладающий значительной индуктивностью при малой собственной емкости и небольшом активном сопротивлении. Данный элемент способен запасать магнитную энергию при протекании электрического тока и отдавать ее в цепь в моменты больших токовых перепадов.

Полупроводниковый диод - электронный прибор, обладающий разной проводимостью в зависимости от направления протекания тока. Применяется для формирования напряжения одной полярности из переменного. Быстрые типы диодов (диоды Шоттки) часто используются для защиты от перенапряжения.

Трансформатор - элемент из двух или более дросселей, намотанных на единое основание, служащий для преобразования системы переменного тока одного напряжения в систему тока другого напряжения без существенных потерь мощности.

ATX - международный стандарт, описывающий различные требования к электрическим, массогабаритным и другим характеристикам корпусов и блоков питания.

Пульсации - импульсы и короткие всплески напряжения на линии питания. Возникают из-за работы преобразователей напряжения.

Коэффициент мощности, КМ (PF) - соотношение активной потребляемой мощности от электросети и реактивной. Последняя присутствует всегда, когда ток нагрузки по фазе не совпадает с напряжением сети либо если нагрузка является нелинейной.

Активная схема коррекции КМ (APFC) - импульсный преобразователь, у которого мгновенный потребляемый ток прямо пропорционален мгновенному напряжению в сети, то есть имеет только линейный характер потребления. Этот узел изолирует нелинейный преобразователь самого БП от электросети.

Пассивная схема коррекции КМ (PPFC) - пассивный дроссель большой мощности, который благодаря индуктивности сглаживает импульсы тока, потребляемые блоком. На практике эффективность подобного решения довольно низкая.