Существует три основных типа источников питания: нестабилизированные источники питания, источники питания с линейными стабилизаторами и импульсные источники питания. Четвертый тип схем источников питания называется источник питания с импульсным стабилизатором, представляет собой гибрид между нестабилизированной и импульсной схемами и заслуживает отдельного подраздела сам по себе.
Нестабилизированные источники питания
Нестабилизированный источник питания – это самый простой тип, состоящий из трансформатора, выпрямителя и фильтра нижних частот. Эти источники питания обычно имеют большие пульсации напряжения (то есть быстро изменяющуюся нестабильность) и другой «шум» переменного напряжения, накладываемые на выходное постоянное напряжение питания. Если входное напряжение меняется, выходное напряжение будет меняться пропорционально. Преимущество нестабилизированного источника питания заключается в том, что он дешевый, простой и эффективный.
Источники питания с линейными стабилизаторами
Источник питания с линейным стабилизатором – это просто нестабилизированный источник питания, за которым следует транзисторная схема, работающая в своем «активном», или «линейном» режиме, отсюда и название линейный стабилизатор. Типовой линейный стабилизатор предназначен для вывода фиксированного напряжения для широкого диапазона входных напряжений, и на нем просто падает любое избыточное напряжение, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение на нагрузке. Это падение избыточного напряжения приводит к значительному рассеиванию мощности в виде тепла. Если входное напряжение станет слишком низким, схема утратит стабилизацию, что означает, что она не сможет поддерживать неизменное напряжение. Она может только отбрасывать избыточное напряжение, но не может восполнять недостаток напряжения в секции нестабилизированного источника. Поэтому необходимо поддерживать входное напряжение выше требуемого выходного напряжения как минимум на 1–3 вольта в зависимости от типа стабилизатора. Это означает, что мощность, эквивалентная, по крайней мере, 1–3 вольтам, умноженным на полный ток нагрузки, будет рассеиваться схемой стабилизатора, выделяя много тепла. Это делает источники питания с линейными стабилизаторами довольно неэффективными. Кроме того, чтобы избавиться от всего этого тепла, они должны использовать большие радиаторы, которые делают их большими, тяжелыми и дорогими.
Импульсные источники питания
Импульсный источник питания («импульсник») – это попытка реализовать преимущества как нестабилизированной, так и линейной стабилизированной конструкций источников питания (небольшой, эффективный и дешевый, но при этом с «чистым», стабильным выходным напряжением). Импульсные источники питания работают по принципу выпрямления входного переменного напряжения в постоянное напряжение, повторного преобразования его в высокочастотное прямоугольное переменное напряжение с помощью транзисторов, работающих как ключи (открыт/закрыт), затем понижения или повышения этого переменного напряжения с помощью небольшого трансформатора, а затем выпрямления выходного переменного напряжения трансформатора в постоянное напряжение и фильтрации до конечного выходного напряжения. Стабилизация напряжения достигается путем изменения скважности («коэффициента заполнения») преобразования постоянного напряжения в переменное на первичной обмотке трансформатора. В дополнение к меньшему весу трансформатора из-за меньшего сердечника, «ипульсники» имеют еще одно огромное преимущество по сравнению с предыдущими двумя конструкциями: этот тип источника питания может быть сделан настолько независимым от входного напряжения, что он может работать в любой системе электроснабжения в мире; эти источники питания называются «универсальными».
Недостатком импульсных источников питания является то, что они являются более сложными, и из-за своего принципа действия они имеют тенденцию генерировать много высокочастотного «шума» на линии питания. Большинство «импульсников» также имеет на выходе значительные пульсации напряжения. У более дешевых типов эти шум и пульсации могут быть такими же плохими, как и у нестабилизированного источника питания; такие низкобюджетные «импульсники» не бесполезны, потому что они по-прежнему обеспечивают стабильное среднее выходное напряжение и обладают возможностями «универсального» входа.
На выходе дорогих импульсных источников питания пульсаций нет, а шум почти такой же низкий, как у некоторых линейных стабилизаторов; эти «импульсники», как правило, стоят также дорого, как и источники питания с линейными стабилизаторами. Причиной использования дорогого «импульсника» вместо хорошего источника с линейным стабилизатором является необходимость универсальной совместимости с системами электроснабжения или высокая эффективность. Высокая эффективность, малый вес и малые размеры – вот причины, по которым импульсные источники питания практически повсеместно используются для питания цифровых компьютерных схем.
Источники питания с импульсными стабилизаторами
Источник питания с импульсным стабилизатором – это альтернатива схеме с линейным стабилизатором: нестабилизированный источник питания (трансформатор, выпрямитель, фильтр) представляет собой «начало» схемы, а транзистор, работающий строго в режимах открыт/закрыт (насыщение/отсечка), передает питание постоянным напряжением на большой конденсатор так, чтобы поддерживать выходное напряжение между верхним и нижним установленными значениями. Как и в импульсных источниках питания, транзистор в импульсном стабилизаторе никогда не пропускает ток, находясь в своем «активном», или «линейном», режиме в течение какого-либо существенного промежутка времени, что означает, что в таком стабилизаторе будет теряться очень мало энергии в виде тепла. Однако самым большим недостатком этой схемы стабилизации является вынужденное наличие некоторых пульсаций напряжения на выходе, так как постоянное напряжение изменяется между двумя контрольными значениями напряжения. Кроме того, эти пульсации напряжения изменяются по частоте в зависимости от тока нагрузки, что затрудняет окончательную фильтрацию выходного напряжения питания.
Схемы импульсных стабилизаторов, как правило, немного проще схем импульсных источников питания, и им не нужно работать с большими мощностями.
1. Нестабилизированные блоки питания – выходное напряжение зависит от тока нагрузки.
Плюсы:
Минусы:
2. Стабилизированные блоки питания – выходное напряжение не зависит от тока нагрузки.
Плюсы:
Минусы:
* КПД существенно меньше, чем у импульсных блоков питания, трансформаторные БП греются, имеют большой размер и вес.
Плюсы:
Минусы:
** Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, также благодаря высокому КПД и малым габаритам, у них лучше соотношение цена/качество
Импульсного блока питания на 5000мА вполне достаточно чтобы закрыть все ваши потребности, он подойдет как для мощных устройств, так и для устройств, требующих ток в 300мА.
Тенденции: будущее за импульсными блоками питания. По мере удешевления компонентов импульсных блоков питания, они все больше и больше теснят и маломощные трансформаторные. Пример: зарядные устройства мобильных телефонов сейчас преимущественно импульсные, хотя еще несколько лет назад на таких небольших мощностях использовались трансформаторные блоки питания.
Стабильная работа в любых условиях: источники питания SITOP Power
SITOP Power – обширная линейка стабилизированных источников питания от Siemens, предназначенная для работы в самых разных областях промышленности – в химической, машиностроительной, робототехнической и других. Данные источники питания подойдут практически для любых задач благодаря мощному функционалу, широкому диапазону рабочих температур, работе с нестандартными напряжениями и многим другим преимуществам.
Ни для кого не секрет, что оборудование компании Siemens широко применяется на промышленных предприятиях России и ближнего зарубежья и по количеству установок занимает первое место. И это естественно, ведь промышленное оборудование производства Siemens отличается высочайшим качеством, и это доказано временем. Если «мозгом» любой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) является программируемый логический контроллер (ПЛК), то «сердцем» будет источник питания.
Чтобы правильно подобрать источники питания, необходимо понимать принципы работы блоков питания.
Как устроен стабилизированный блок питания
Стабилизированный источник питания – это источник питания, который содержит аналоговую, импульсную или цифровую схему регулирования, благодаря которой поддерживаются постоянные выходные параметры – ток и напряжение при скачках входного напряжения. Также схема обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрузок.
В нестабилизированном источнике питания такая схема отсутствует. Он состоит из входного и выходного фильтров, входного и выходного выпрямителей, генератора импульсов и трансформатора, защищающего нагрузку только от перенапряжений (рисунок 1). Как видно из этого рисунка, выходное напряжение получается неустойчивым. Его параметры очень сильно зависят от качества питающей электросети. Но при этом КПД выше, чем у стабилизированного источника питания, а нагрев ниже, так как нет контура регулирования, который требует дополнительной энергии.
Серия SITOP Power относится к стабилизированным импульсным блокам питания (рисунок 2).
Рис. 1. Структурная схема простейшего блока питания
Рис. 2. Структурная схема стабилизированного блока питания
В таких блоках входное переменное или постоянное напряжение (Uвх) выпрямляется и преобразуется в импульсы высокой частоты. Эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Соответственно, на вторичной обмотке появляются импульсы такой же частоты, но другого напряжения. Это напряжение снова выпрямляется и подается на блок стабилизации, и уже потом – на выход блока питания. Автоматическое регулирование заключается в коррекции номинального (Uвых.ном) и реального (Uвых) выходных напряжений.
Диапазон входных напряжений. Чем больше данный диапазон – тем надежней работа блока питания, например, при повышенном или пониженном напряжении. Линейка SITOP Power имеет очень широкий диапазон – 85…264 В постоянного тока и 400…500 В переменного тока. При этом, номинальное напряжение у однофазных блоков питания выбирается с помощью перемычки – 120 или 220 В.
Допустимое перенапряжение – кратковременный всплеск напряжения, при котором выходной ток (Iвых) все еще равен номинальному току (Iвых.ном). У семейства SITOP Power эта величина равна Uвх*2,3 в течение 1,3 мс.
Допустимый перерыв в питании – исчезновение входного тока (Iвх) до 3 мс, при которой Iвых = Iвых.ном.
Предельный импульсный ток включения. В момент включения блока питания происходит зарядка емкостей входного фильтра. Величина входного тока при этом может превышать номинальный в 3…4 раза. Если ток при запуске установки превышает значение импульсного тока включения, рассчитанный для конкретной модели – необходимо применять ограничитель пускового тока. Его отсутствие в таких случаях может привести к периодическому срабатыванию автоматического выключателя из-за больших пусковых токов.
Ограничитель пускового тока. Он необходим для уменьшения импульсных токов включения емкостей во входных цепях до безопасного уровня. Ограничитель устанавливается в разрыв цепи после автомата и перед одним или несколькими блоками питания и ограничивает их пусковые токи.
Корректор коэффициента мощности (PFC) или компенсатор реактивной мощности предназначен для снижения реактивной мощности, потребляемой блоком питания. Классическая схема выпрямления переменного тока состоит из диодного моста и конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора представляет собой импульс и имеет очень большое значение. Например, сетевой ток импульсного источника питания при 300 Вт и 220 В будет примерно 1 А, импульсный – 4 А. А если источников будет несколько и большей мощности – скорее всего, начнутся проблемы с проводкой, розетками, поступят огромные счета за электричество. Для решения данной проблемы применяют специальный электрический модуль – корректор коэффициента мощности, который уменьшает импульсы. Он располагается между конденсатором и выпрямителем и обрезает амплитуду тока.
Коэффициент мощности – отношение активной мощности (потребляемой источником питания безвозвратно и уходящей в тепло) к полной. То есть, коэффициент мощности – отношение полезной к полученной мощности. Чем он ближе к единице – тем лучше.
КПД. Величина КПД влияет на тепловыделение. Чем выше КПД – тем лучше, так как блок питания выделяет меньше тепла.
Диапазон настройки уровня выходного напряжения. Большинство моделей блоков питания SITOP Power позволяет регулировать величину номинального выходного напряжения. Это позволяет обеспечить электричеством оборудование с нестандартным питанием или компенсировать падение напряжения в распределенных линиях.
Возможность параллельного включения. Параллельное включение блоков питания дает возможность использования «горячего» резервирования или сложения мощностей. Серия SITOP Power поддерживает до двух параллельно включенных источников питания.
Индикация и сигнализация. В основном, используются транзисторные нормально открытые выходы для дистанционного наблюдения за работой блока питания и светодиоды состояния, расположенные непосредственно на приборе.
Основные преимущества
Блоки питания семейства SITOP Power отличают следующие особенности:
Стабилизированный адаптер из нестабилизированного
В магазинах, киосках подземных переходов, на радиорынках можно купить так называемые адаптеры, оформленные в виде сетевой вилки. Большие пульсации выходного напряжения и его зависимость от тока нагрузки затрудняют питание от них какой-либо радиоэлектронной аппаратуры. Как стабилизировать выходное напряжение таких адаптеров и рассказывается в данной статье.
Для фиксирования «круглых» значений выходного напряжения проще всего использовать микросхемы КР142ЕН5 и КР142ЕН8 с соответствующими буквенными индексами [1], устанавливая их на теплоотводе в корпус адаптера и дополняя выходным конденсатором емкостью не менее 10 мкФ. Если же необходимо «нестандартное» напряжение, следует применить микросхему КР142ЕН12А [2].
Микросхема DA1 установлена на ребристый теплоотвод размерами 10x18x38 мм от промышленного устройства. Для хорошего охлаждения в нижней и верхней стенках корпуса адаптера (ориентация при включении его в настенную розетку) просверлены по шесть отверстий диаметром 6 мм.
Если ограничение выходного тока не требуется, резистор R1 и конденсатор C3 можно исключить. В таком варианте максимальный выходной ток составлял 0.5А при напряжении пульсаций около 1 мВ. Подобрав сопротивления резисторов R3 и R4, можно можно собрать стабилизатор на любое выходное напряжение в пределах, допустимых трансформатором адаптера.
Для сверления крепежных отверстий и отверстий для установки переключателей и светодиода удобно применить печатную плату от используемого адаптера как трафарет. Чтобы выпаять переключатель из платы и при этом не повредить ее, необходимо, прогревая одновременно несколько соседних контактов паяльником, изгибать плату. Переходя постепенно к другим контактам, можно выпаять переключатель целиком.
Микросхема DA1 установлена на медную пластину размерами 52x38x1 мм, выполняющую роль теплоотвода. Пластина имеет отбортовку для крепления на плате, а по ее периметру просверлены отверстия диаметром 4 мм для обеспечения вентиляции. Для тех же целей в верхней и нижней стенках корпуса просверлено по восемь отверстий диаметром 6 мм.
Как работает блок питания компьютера
Содержание
Содержание
Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.
Линейные блоки питания
Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.
Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).
Импульсные блоки питания
Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.
Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.
В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.
Так выглядит плата вживую:
Фильтр
Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.
Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.
На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.
Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.
Корректор коэффициента мощности
Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).
Плюсы корректора: 1) Снижается нагрузка на сеть. 2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда). 3) Улучшение работы инвертора.
Минусы: 1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность. 2) Возможны проблемы при работе с UPS.
Преобразователь
Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.
Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.
В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.
Выпрямление и стабилизация выходных напряжений
По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:
1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.
Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:
Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:
2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.
3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.
4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.
Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.
Дежурный источник питания
Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.
Супервизор
Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.
Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.
.jpg)
