В статье рассмотрены структурные схемы и кратко описаны принципы работы компьютерных блоков питания двух видов: линейных и импульсных, проведено их сравнение при работе с компьютером.
Ключевые слова: блок питания, линейный, импульсный, питание, напряжение.
Описание устройства
Блок питания — это устройство, формирующее напряжение, необходимое подключенному к нему потребителю. В случае компьютерного блока питания, потребителями являются все составляющие системного блока. По сути, блок питания является преобразователем напряжения — подавая на вход 220 Вольт переменного напряжения, на выходе можно получить постоянное напряжение различных номиналов, необходимых для питания компонентов персонального компьютера. Стандартными значениями выходного напряжения с блока питания являются 12, 5 и 3,3 Вольта.
На данный момент существует два вида компьютерных блоков питания: линейные и импульсные. Далее будет приведено их краткое описание.
Линейные блоки питания также называют трансформаторными. Как понятно из названия, в основе их работы лежит трансформатор, в данном случае — понижающий. Помимо трансформатора в состав блока питания входят выпрямители, отвечающие за преобразование переменного тока в постоянный, и сглаживающий фильтр, который устанавливается после выпрямителя и уменьшает пульсации на выходе. В блоках питания также необходимо наличие стабилизатора напряжения, который позволяет при резких скачках напряжения на входе держать выходное напряжение примерно на одном заданном уровне. Такая необходимость обуславливается частыми перепадами напряжения во внутренней электросети каждого из домов, а также падением напряжения вследствие роста тока в нагрузке. Кроме всего вышеперечисленного, в схеме имеется источник дежурного напряжения. Структурная схема линейного источника питания представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема линейного источника питания
Принцип работы довольно прост: высокое переменное напряжение со входа оказывается на первичной обмотке понижающего трансформатора, после чего со вторичной обмотки снимается пониженное, но все еще переменное напряжение. Напряжение проходит через выпрямитель, преобразовываясь в постоянное, после чего, с помощью фильтра на основе конденсатора большой емкости, подавляется его переменная составляющая, которую также называют пульсациями. В итоге, на выход блока питания поступает несколько напряжений:
– +12 В — основная линия питания, отвечает за питание центрального процессора, графического процессора (видеокарты), материнской платы, жестких дисков и системы охлаждения корпуса;
– +5 В — дополнительная линия питания, в основном используется для питания USB-портов и твердотельных накопителей;
– +3,3 В — используется для питания SSD-накопителей, вставляемых в M.2-слоты на материнской плате. Также с этой линии подается питание на слоты PCI и PCI-Express, называемых иначе слотами расширения;
– +5VSB (SB — Stand By, с англ.: быть наготове) — линия дежурного питания, обеспечивает компьютер питанием, когда тот находится в «спящем режиме»;
– −12 В — в современных реалиях не используется.
Линейные блоки питания обладают простой конструкцией и низким уровнем помех, однако они имеют большие вес и размеры, а КПД таких блоков довольно низкий. Обратными качествами обладают импульсные блоки питания: они имеют меньшие размеры и вес, их КПД гораздо выше, но при этом они сложнее устроены и создают высокочастотные помехи.
Импульсные блоки питания также называют инверторными. В таких блоках, как и в линейных, присутствует трансформатор. Однако в импульсных блоках питания трансформатор — высокочастотный. На входе стоит фильтр, который работает тем лучше, чем ближе находится к источнику помех, потому расположен он зачастую прямо на контактах с розетки. После фильтра располагается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Преобразователь в схеме, стоящий после выпрямителя, вновь преобразует постоянное напряжение в переменное, повышая при этом его частоту. Далее схема повторяет схему линейного блока питания, за исключением отсутствия стабилизатора. Помимо всего вышеперечисленного, в схеме присутствует активный корректор коэффициента мощности (APFC — Active Power Factor Corrector), снижающий нагрузку на сеть, супервизор, а также дежурный источник питания. Супервизор представляет собой микросхему, которая выполняет роль стабилизатора, при этом обеспечивая защиту от перегрузок и короткого замыкания. Структурная схема импульсного блока питания показана на рисунке 2. Стоит отметить, что структурные схемы на рисунках 1 и 2 представлены в упрощенном виде.
Рис. 2. Структурная схема импульсного блока питания
Принцип работы отличается от линейного блока питания: переменное напряжение, пройдя входной фильтр, сразу же преобразовывается в постоянное. Постоянное напряжение, проходя через преобразователь, снова становится переменным, но имеет при этом более высокую частоту (десятки кГц), после чего понижается, проходя через понижающий высокочастотный трансформатор. Далее напряжение преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и проходит через фильтр. Выходные напряжения соответствуют тем, что были описаны для линейного блока питания.
Свое название импульсные блоки питания (они же инверторные) получили из-за преобразователя, который в схеме стоит перед трансформатором. Этот преобразователь является инвертором, который из выпрямленного напряжения создает прямоугольные импульсы высокой частоты и состоит из двух мощных ключевых транзисторов, управляемых ШИМ-контроллером.
Поскольку преобразователь на выходе дает прямоугольные импульсы, в таких блоках питания используется импульсный трансформатор. Этим и объясняется превосходство в массе и размерах импульсных блоков питания перед линейными, так как такие трансформаторы работают на более высоких частотах, что позволяет получить больший КПД и уменьшить теплопотери. Это, в свою очередь, снижает массу и размер трансформатора, а значит, и самого блока питания.
Подводя итоги по всему вышесказанному и проведя сравнение линейных и импульсных блоков питания, можно прийти к выводу о том, что вторые показывают себя намного лучше. Их преимущество в виде малых габаритов и массы позволяет сэкономить место в корпусе компьютера, а более высокий КПД означает, что такой блок питания будет меньше нагреваться, что является довольно важным параметром для современных компьютеров. Недостатки же не столь существенны: высокочастотные помехи можно частично компенсировать, предприняв соответствующие меры, а конструкционная сложность не так критична.
Литература:
- Кашкаров, А. П. Импульсные источники питания. Схемотехника и ремонт / А. П. Кашкаров. — Москва: ДМК-Пресс, 2017. — 184 c. — Текст: непосредственный.
- Куличков, А. В. Импульсные блоки питания для IBM PC / А. В. Куличков. — Москва: ДМК-Пресс, 2000. — 120 c. — Текст: непосредственный.
- Куприянов, А. А. Современные источники питания ПК и периферии. Полное руководство / А. А. Куприянов, Д. П. Кучеров. — Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2007. — 352 c. — Текст: непосредственный.
