Содержание
- 1 Содержание
- 2 Описание [ править | править код ]
- 3 Устройство (схемотехника) [ править | править код ]
- 4 Содержание
- 5 Описание [ править | править код ]
- 6 Устройство (схемотехника) [ править | править код ]
- 7 Виды блоков питания и их различия.
- 8 Трансформаторный блок питания и его устройство.
- 9 Импульсный БП и его устройство.
Компьютерный блок питания (или сокращённо — блок питания, БП) — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электроэнергией постоянного тока путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.
Также в состав компьютера могут входить блоки преобразования уровня напряжения следующей ступени — третичные блоки питания и т. д. Примером таких преобразователей могут служить модуль питания центральных процессоров (в том числе модернизируемых), графических процессоров, а также устройства, требующие повышения напряжения или изменения характеристик тока — переменного, с изменением фазы.
В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несёт в своём составе (либо монтируемые на корпусе БП) компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера.
Содержание
Описание [ править | править код ]
Если брать, в качестве примера, блок питания для настольного компьютера персонального стандарта PC, то, согласно спецификации разных лет, он должен обеспечивать выходные напряжения ±5 / ±12 / +3,3 Вольт, а также +5 Вольт дежурного режима (+5VSB).
- Основными силовыми цепями компьютеров периодически являлись линии напряжения +3,3, +5 и +12 В. Традиционно, чем выше напряжение в линии, тем большая мощность передаётся по данным цепям.
- Отрицательные напряжения питания (−5 и −12 В) допускали небольшие токи и в современных материнских платах в настоящее время не используются.
- Напряжение −5 В использовалось только интерфейсом ISAматеринских плат. Для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2 использовался контакт 20 и белый провод. Это напряжение (а также контакт и провод) не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
- Напряжение −12 В необходимо лишь для полной реализации стандарта последовательного интерфейса RS-232 с использованием микросхем без встроенного инвертора и умножителя напряжения, поэтому также часто отсутствует.
В большинстве случаев, для компьютера в рассматриваемом примере, используется импульсный блок питания, выполненный по полумостовой (двухтактной) схеме. Блоки питания с накапливающими энергию трансформаторами (обратноходовая схема) естественно ограничены по мощности габаритами трансформатора и потому применяются значительно реже. Гораздо чаще встречается схема прямоходового однотактного преобразователя, которая не так ограничена по массо-габаритным показателям. При этом используются те же м/с, что и в обратноходовом преобразователе.
Устройство (схемотехника) [ править | править код ]
Широко распространённая схема импульсного источника питания состоит из следующих частей:
Входные цепи
- Входной фильтр, предотвращающий распространение импульсных помех в питающую сеть[1] . Также входной фильтр уменьшает бросок тока заряда электролитических конденсаторов при включении БП в сеть (это может привести к повреждению входного выпрямительного моста).
- В качественных моделях — пассивный (в дешёвых) либо активный корректор мощности (PFC), снижающий нагрузку на питающую сеть.
- Входной выпрямительный мост, преобразующий переменное напряжение в постоянное пульсирующее.
- Конденсаторный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.
- Отдельный маломощный блок питания, выдающий +5 В дежурного режима материнской платы и +12 В для питания микросхемы преобразователя самого ИБП. Обычно он выполнен в виде обратноходового преобразователя на дискретных элементах (либо с групповой стабилизацией выходных напряжений через оптрон плюс регулируемый стабилитрон TL431 в цепи ОС, либо линейными стабилизаторами 7805/7812 на выходе) или же (в топовых моделях) на микросхеме типа TOPSwitch.
Преобразователь
- Полумостовой преобразователь на двух биполярных транзисторах.
- Схема управления преобразователем и защиты компьютера от превышения/снижения питающих напряжений, обычно на специализированной микросхеме (TL494, UC3844, KA5800, SG6105 и пр.).
- Импульсный высокочастотный трансформатор, который служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки цепей (входных от выходных, а также, при необходимости, выходных друг от друга). Пиковые напряжения на выходе высокочастотного трансформатора пропорциональны входному питающему напряжению и значительно превышают требуемые выходные.
- Цепи обратной связи, которые поддерживают стабильное напряжение на выходе блока питания.
- Формирователь напряжения PG (Power Good, «напряжение в норме»), обычно на отдельном ОУ.
Выходные цепи
- Выходные выпрямители. Положительные и отрицательные напряжения (5 и 12 В) используют одни и те же выходные обмотки трансформатора, с разным направлением включения диодов выпрямителя. Для снижения потерь, при большом потребляемом токе, в качестве выпрямителей используют диоды Шоттки, обладающие малым прямым падением напряжения.
- Дроссель выходной групповой стабилизации. Дроссель сглаживает импульсы, накапливая энергию между импульсами с выходных выпрямителей. Вторая его функция — перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Так, если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение напряжения на выходе и увеличит общую подачу энергии, что восстановит требуемые значения напряжений.
- Выходные фильтрующие конденсаторы. Выходные конденсаторы, вместе с дросселем групповой стабилизации интегрируют импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений, которые, благодаря дросселю групповой стабилизации, значительно ниже напряжений с выхода трансформатора.
- Один (на одну линию) или несколько (на несколько линий, обычно +5 и +3,3) нагрузочных резисторов 10-25 Ом, для обеспечения безопасной работы на холостом ходу.
Достоинства такого блока питания:
- Простая и проверенная временем схемотехника с удовлетворительным качеством стабилизации выходных напряжений.
- Высокий КПД (65—70 %). Основные потери приходятся на переходные процессы, которые длятся значительно меньшее время, чем устойчивое состояние. Больше всех греются диоды выпрямляющие 5 и 12 вольт. Силовые транзисторы греются мало .
- Малые габариты и масса, обусловленные как малым выделением тепла на регулирующем элементе, так и малыми габаритами трансформатора, благодаря тому, что последний работает на высокой частоте.
- Малая металлоёмкость, благодаря чему мощные импульсные источники питания стоят дешевле трансформаторных, несмотря на бо́льшую сложность.
- Возможность подключения к сетям с широким диапазоном выбора напряжений и частот, или даже сетям постоянного тока. Благодаря этому возможна унификация техники, производимой для различных стран мира, а значит, и её удешевление при массовом производстве.
Недостатки полумостового блока питания на биполярных транзисторах:
- При построении схем силовой электроники использование биполярных транзисторов в качестве ключевых элементов снижает общий КПД устройства [2] . Управление биполярными транзисторами требует значительных затрат энергии.
Всё больше компьютерных блоков питания строится на более дорогих мощных MOSFET-транзисторах. Схемотехника таких компьютерных блоков питания реализована как в виде полумостовых схем, так и обратноходовых преобразователей. Для удовлетворения массогабаритных требований к компьютерному блоку питания в обратноходовых преобразователях используются значительно более высокие частоты преобразования (100—150 кГц). - Большое количество намоточных изделий, индивидуально разрабатываемых для каждого типа блоков питания. Такие изделия снижают технологичность изготовления БП.
- Во многих случаях недостаточная стабилизация выходного напряжения по каналам. Дроссель групповой стабилизации не позволяет с высокой точностью обеспечивать значения напряжений во всех каналах. Более дорогие, а также мощные современные блоки питания формируют напряжения ±5 и 3,3 В с помощью вторичных преобразователей из канала 12 В.
Принципиальная схема БП персонального компьютера
Компьютерный блок питания (или сокращённо — блок питания, БП) — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электроэнергией постоянного тока путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.
Также в состав компьютера могут входить блоки преобразования уровня напряжения следующей ступени — третичные блоки питания и т. д. Примером таких преобразователей могут служить модуль питания центральных процессоров (в том числе модернизируемых), графических процессоров, а также устройства, требующие повышения напряжения или изменения характеристик тока — переменного, с изменением фазы.
В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несёт в своём составе (либо монтируемые на корпусе БП) компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера.
Содержание
Описание [ править | править код ]
Если брать, в качестве примера, блок питания для настольного компьютера персонального стандарта PC, то, согласно спецификации разных лет, он должен обеспечивать выходные напряжения ±5 / ±12 / +3,3 Вольт, а также +5 Вольт дежурного режима (+5VSB).
- Основными силовыми цепями компьютеров периодически являлись линии напряжения +3,3, +5 и +12 В. Традиционно, чем выше напряжение в линии, тем большая мощность передаётся по данным цепям.
- Отрицательные напряжения питания (−5 и −12 В) допускали небольшие токи и в современных материнских платах в настоящее время не используются.
- Напряжение −5 В использовалось только интерфейсом ISAматеринских плат. Для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2 использовался контакт 20 и белый провод. Это напряжение (а также контакт и провод) не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
- Напряжение −12 В необходимо лишь для полной реализации стандарта последовательного интерфейса RS-232 с использованием микросхем без встроенного инвертора и умножителя напряжения, поэтому также часто отсутствует.
В большинстве случаев, для компьютера в рассматриваемом примере, используется импульсный блок питания, выполненный по полумостовой (двухтактной) схеме. Блоки питания с накапливающими энергию трансформаторами (обратноходовая схема) естественно ограничены по мощности габаритами трансформатора и потому применяются значительно реже. Гораздо чаще встречается схема прямоходового однотактного преобразователя, которая не так ограничена по массо-габаритным показателям. При этом используются те же м/с, что и в обратноходовом преобразователе.
Устройство (схемотехника) [ править | править код ]
Широко распространённая схема импульсного источника питания состоит из следующих частей:
Входные цепи
- Входной фильтр, предотвращающий распространение импульсных помех в питающую сеть[1] . Также входной фильтр уменьшает бросок тока заряда электролитических конденсаторов при включении БП в сеть (это может привести к повреждению входного выпрямительного моста).
- В качественных моделях — пассивный (в дешёвых) либо активный корректор мощности (PFC), снижающий нагрузку на питающую сеть.
- Входной выпрямительный мост, преобразующий переменное напряжение в постоянное пульсирующее.
- Конденсаторный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.
- Отдельный маломощный блок питания, выдающий +5 В дежурного режима материнской платы и +12 В для питания микросхемы преобразователя самого ИБП. Обычно он выполнен в виде обратноходового преобразователя на дискретных элементах (либо с групповой стабилизацией выходных напряжений через оптрон плюс регулируемый стабилитрон TL431 в цепи ОС, либо линейными стабилизаторами 7805/7812 на выходе) или же (в топовых моделях) на микросхеме типа TOPSwitch.
Преобразователь
- Полумостовой преобразователь на двух биполярных транзисторах.
- Схема управления преобразователем и защиты компьютера от превышения/снижения питающих напряжений, обычно на специализированной микросхеме (TL494, UC3844, KA5800, SG6105 и пр.).
- Импульсный высокочастотный трансформатор, который служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки цепей (входных от выходных, а также, при необходимости, выходных друг от друга). Пиковые напряжения на выходе высокочастотного трансформатора пропорциональны входному питающему напряжению и значительно превышают требуемые выходные.
- Цепи обратной связи, которые поддерживают стабильное напряжение на выходе блока питания.
- Формирователь напряжения PG (Power Good, «напряжение в норме»), обычно на отдельном ОУ.
Выходные цепи
- Выходные выпрямители. Положительные и отрицательные напряжения (5 и 12 В) используют одни и те же выходные обмотки трансформатора, с разным направлением включения диодов выпрямителя. Для снижения потерь, при большом потребляемом токе, в качестве выпрямителей используют диоды Шоттки, обладающие малым прямым падением напряжения.
- Дроссель выходной групповой стабилизации. Дроссель сглаживает импульсы, накапливая энергию между импульсами с выходных выпрямителей. Вторая его функция — перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Так, если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение напряжения на выходе и увеличит общую подачу энергии, что восстановит требуемые значения напряжений.
- Выходные фильтрующие конденсаторы. Выходные конденсаторы, вместе с дросселем групповой стабилизации интегрируют импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений, которые, благодаря дросселю групповой стабилизации, значительно ниже напряжений с выхода трансформатора.
- Один (на одну линию) или несколько (на несколько линий, обычно +5 и +3,3) нагрузочных резисторов 10-25 Ом, для обеспечения безопасной работы на холостом ходу.
Достоинства такого блока питания:
- Простая и проверенная временем схемотехника с удовлетворительным качеством стабилизации выходных напряжений.
- Высокий КПД (65—70 %). Основные потери приходятся на переходные процессы, которые длятся значительно меньшее время, чем устойчивое состояние. Больше всех греются диоды выпрямляющие 5 и 12 вольт. Силовые транзисторы греются мало .
- Малые габариты и масса, обусловленные как малым выделением тепла на регулирующем элементе, так и малыми габаритами трансформатора, благодаря тому, что последний работает на высокой частоте.
- Малая металлоёмкость, благодаря чему мощные импульсные источники питания стоят дешевле трансформаторных, несмотря на бо́льшую сложность.
- Возможность подключения к сетям с широким диапазоном выбора напряжений и частот, или даже сетям постоянного тока. Благодаря этому возможна унификация техники, производимой для различных стран мира, а значит, и её удешевление при массовом производстве.
Недостатки полумостового блока питания на биполярных транзисторах:
- При построении схем силовой электроники использование биполярных транзисторов в качестве ключевых элементов снижает общий КПД устройства [2] . Управление биполярными транзисторами требует значительных затрат энергии.
Всё больше компьютерных блоков питания строится на более дорогих мощных MOSFET-транзисторах. Схемотехника таких компьютерных блоков питания реализована как в виде полумостовых схем, так и обратноходовых преобразователей. Для удовлетворения массогабаритных требований к компьютерному блоку питания в обратноходовых преобразователях используются значительно более высокие частоты преобразования (100—150 кГц). - Большое количество намоточных изделий, индивидуально разрабатываемых для каждого типа блоков питания. Такие изделия снижают технологичность изготовления БП.
- Во многих случаях недостаточная стабилизация выходного напряжения по каналам. Дроссель групповой стабилизации не позволяет с высокой точностью обеспечивать значения напряжений во всех каналах. Более дорогие, а также мощные современные блоки питания формируют напряжения ±5 и 3,3 В с помощью вторичных преобразователей из канала 12 В.
Принципиальная схема БП персонального компьютера
Блок питания – это устройство, которое используется для создания напряжения, необходимого для работы компьютера, из напряжения домашней электросети. В России блок питания (в дальнейшем просто БП) преобразует переменный электрический ток домашней электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц в заданный постоянный ток. В разных странах стандарты домашней электросети отличаются. В США, к примеру, в дома обычных жителей подаётся переменный ток напряжением 120 В и частотой 60 Гц.
Для расчёта сопротивления проводника вы можете воспользоваться калькулятором расчета сопротивления проводника.
Виды блоков питания и их различия.
Существуют два основных вида блоков питания: трансформаторные и импульсные. Ниже будут рассмотрены их устройства и различия, а также преимущества и недостатки.
Трансформаторный блок питания и его устройство.
Этот вид блока питания является классическим и, одновременно, простейшим. Ниже представлена его схема с двухполероудным выпрямителем:
Важнейшим элементом этого вида БП является понижающий трансформатор (вместо которого может быть использован автотрансформатор). Первичная обводка этого элемента как раз и рассчитана на входящее сетевое напряжение. Ещё одна важная деталь такого БП – это выпрямитель. Он выполняет функцию преобразования переменного напряжения в однонаправленное и пульсирующее постоянное. В подавляющем большинстве случаев используются однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный. Первый состоит из одного диода, а последний из четырёх диодов, которые образуют диодный мост. В некоторых случаях могут использоваться и другие схемы этого элемента, например, в трёхфазных выпрямителях или выпрямителях с удвоенным напряжением. Последней важной деталью трансформаторного БП является фильтр, который сглаживает пульсации, создающиеся выпрямителем. Обычно эта деталь представлена конденсатором с большой ёмкостью.
Габариты трансформатора. Из базовых законов электротехники выводится следующая формула:
В этой формуле n – это число витков на 1 вольт, f – частота переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода, B – индукция магнитного поля в магнитопроводе.
Формула описывает не мгновенное значение, а амплитуду B!
Практически величина индукции магнитного поля (B) ограничена гистерезисом в сердечнике. Это приводит к перегревам трансформатора и потерям на перемагничивании.
Если частота переменного тока(f) равна 50 Гц, то изменяемыми параметрами при конструировании трансформатора остаются только S и n. На практике используется такая эвристика: n (в значении от 55 до 70) / S в см^2
Увеличение площади сечения магнитопровода (S) приводит к повышению габаритов и веса трансформатора. Если же понижать значение S то этим повышается значение n, что в трансформаторах небольшого размера приводит к снижению сечения провода (в противном случае обмотка не поместится на сердечнике)
При увеличении значения n и уменьшения площади сечения происходит значительное увеличении активного сопротивления обмотки. В трансформаторах с малой мощностью на это можно не обращать внимания, поскольку ток, проходящий через обмотку, невелик. Однако, при повышении мощности ток, проходящий через обмотку, увеличивается, а это вместе с высоким сопротивлением обмотки приводит к рассеиванию значительной тепловой мощности.
Всё вышесказанное приводит к тому, что стандартной частоте 50 Гц трансформатор большой мощности (необходимой для питания компьютера) может быть сконструирован только как устройство, имеющее большой вес и габариты.
В современных БП идут по другому пути – увеличивания значения f, которое достигается использованием импульсных блоков питания. Такие БП намного легче и в значительной степени меньше по габаритам, чем трансформаторные. Также импульсные БП не столь требовательны к входному напряжению и частоте.
Преимущества трансформаторных БП
- Простота изделия;
- Надёжность конструкции;
- Доступность элементов;
- Отсутствие создаваемых радиопомех.
Недостатки трансформаторных БП
- Большой вес и габариты, которые увеличиваются вместе с мощностью;
- Металлоёмкость;
- Необходимость компромисса между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения.
Импульсный БП и его устройство.
Ниже представлена схема одноконтактного импульсного БП (эта схема является простейшей):
Фактически блоки питания импульсного вида являются инверторной системой. В этом БП входящая в него электроэнергия сначала выпрямляется (т. е. образуется постоянный электрический ток), а после этого преобразуется в прямоугольные импульсы определённой частоты и скважности. После этого эти прямоугольные импульсы на трансформатор (в случае если конструкция БП включает в себя гальваническую развязку) или же сразу на выходной ФНЧ (в случае если отсутствует гальваническая развязка). Из-за того, что в импульсных БП с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и в значительной степени снижается требование к сечению сердечника, в них могут применяться гораздо более малогабаритные трансформаторы чем в классических решениях.
В большинстве случаев сердечник трансформатора импульсного вида может быть выполнен из ферримагнитных материалов, в отличии от низкочастотных трансформаторах, в которых используется электротехническая сталь.
Стабилизация напряжения в импульсных блоках питания обеспечивается путём отрицательной обратной связи. Она позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне. Такая связь может быть сконструирована различными способами. В случае наличия в конструкции БП гальванической развязки чаще всего используют способ использования связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или же способ оптрона. Скважность на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигнала обратной связи, который, в свою очередь, зависит от выходного напряжения. В том случае, если развязка в БП не предусмотрена, используется обычный резистивный делитель напряжения. Благодаря этому импульсные блоки питания могут поддерживать стабильное выходное напряжение.
Достоинства импульсных БП.
- Значительно меньший вес и габариты (это достигается благодаря тому, что при повышении частоты можно использовать трансформаторы с меньшими габаритами при одинаковой мощности. Большинство линейных стабилизаторов производятся в большинстве своём из мощных низкочастотных силовых трансформаторов и радиаторов, которые работают в линейном режиме;
- Намного более высоким КПД (до 98%). Такой высокий коэффициент полезного действия достигается благодаря тому, что большую часть времени ключевые элементы находятся в устойчивом состоянии (а потери возникают во время включения/выключения ключевых элементов);
- Меньшей стоимостью (это преимущество было достигнуто благодаря повсеместному выпуску унифицированной элементной базы и разработке транзисторов повышенной мощности);
- Надёжностью наравне с линейными стабилизаторами;
- Большим диапазоном входной частоты и напряжения электрической энергии. Благодаря этому один и тот же БП может использоваться в различных странах мира с различными стандартами домашней электрической сети;
- Наличие защиты от непредвиденных ситуаций (короткое замыкание).
Недостатки импульсных БП
- Затруднение ремонта БП вследствие того, что большая часть схемы работает в отсутствии гальванической развязки электросети
- Является источником высокочастотных помех. Этот недостаток выходит из самого принципа работы импульсных БП. Из-за него производителям блоков питания приходится предпринимать меры шумоподавления, которые, в большинстве случаев, не могут полностью устранить данную проблему
- Эффект гармоник кратный трём (при наличии корректоров фактора мощности и фильтров данный недостаток неактуален)
