Структурная схема блока питания компьютера. Допустимый максимальный ток линии

09.08.2019

Питание материнской платы . Изначально блоки питания формата ATX имели 20-ти контактный разъем питания материнской платы. Он имен один контакт +12 V по которому возможно подача тока до 6 А (при использовании стандартных контактов Molex. Так же есть контакты Molex HCS — 9 А и Molex Plus HCS — 11 А. Кроме названия информации о них никакой не нашел. Какие контакты используются в современных комплектующих пока не известно). Этого вполне хватало до появления слотов PCI-E. В связи с этим основное питание было увеличено до 24 контактов. Добавили еще по одной линии +3.3 V, +5 V, +12 V и земля.

Последние 4 контакта 11,12,23 и 24 сделаны съемными и не используются при подключении к 20-ти контактной розетке материнской платы. Это сделано для совместимости. Так же можно подключить 20-ти контактный разъем блока питания к 24 контактному на материнской плате в случае новой платой и старого блока. В этом случае лучше обойтись встроенным в процессор видео, т.к. при использовании дискретного графического адаптера возможна нехватка питания для слота PCI-E со всеми вытекающими последствиями вплоть до возможности купить новый компьютер .

3.3 V Sense (Коричневый) — контакт предназначенный для обратной связи. С помощью него блок питания регулирует напряжение +3.3 V.

5 V (Белый) — в современных блоках питания не используется и исключен из 24-х контактного разъема. Использовался для обратной совместимости шины ISA.

Power ON (Зеленый) — контакт позволяющий современным операционным системам управлять блоком питания. При выключении компьютера через меню «Пуск» система с Power ON отключит блок питания. Системы без контакта Power ON способны лишь вывести сообщение, что компьютер можно выключить.

Power good (Серый) — имеет напряжение +5 V и может колебаться в допустимых пределах от +2,4 V до +6 V. При нажатии на кнопку POWER (включение компьютера) блок питания включается и производит самотестирование и стабилизацию напряжений на выходе +3.3 V, +5 V и +12 V. Этот процесс занимает 0,1-0,5 с. После чего блок питания посылает материнской плате сигнал Power good. Этот сигнал принимает чип управления питанием процессора и запускает последний. При скачках или пропадании напряжения на входе блока питания материнская плата не получает сигнал Power good и останавливает процессор. При возобновлении питания на входе так же восстанавливается сигнал Power good и происходит запуск системы. Таким образом, благодаря сигналу Power good, компьютер гарантировано получит только качественное питание, что в свою очередь позволяет повысить надежность и работоспособность всей системы.

Питание процессора . Питание процессора осуществляется через устройство называемое Voltage Regulator Module (VRM). Модуль преобразует напряжение с +12 V до необходимого процессору и имеет коэффициент полезного действия (КПД) около 80%. Изначально, когда процессоры потребляли минимум энергии и питались от +5 V, достаточно было питания через материнскую плату. Было всего 12 контактов (2 по 6). С ростом производительности выросла и потребляемая мощность. Современные процессоры потребляют до 130 Вт и это без разгона. Задача стояла следующая, обеспечить питание процессора не расплавив при этом контакты на материнской плате. Для этого перешли с +5 V на +12 V, т.к. это дало возможность снизить ток более чем на 50% сохраняя мощность. Через один контакт +12 V на материнской плате можно было передавать до 6 А (2-ая линия +12 V питает слоты PCI-E). Решение было позаимствовано как обычно из серверного сегмента. Для процессора сделали отдельный разъем напрямую от блока питания.

Разъем состоял из 4-х контактов 2-ва +12 V и 2 — земля. По спецификации имелась возможность подачи до 8 А на контакт.

Для топовых процессоров использовалось несколько VRM модулей. Что бы лучше распределить нагрузку между ними было принято решение использовать два 4-х контактных разъема объединенных физически в один 8-ми контактный

Как видно из рисунка выше разъем содержит 4 линии +12 V, что обеспечивает стабильным питанием самые мощные процессоры. Разъем может быть разделен на 2 по 4 контакта.

Так же стоит отметить что особо мощные блоки питания (мне попадались от 1000 Вт и выше) имеют два 8-ми контактных разъема. Вероятно для питания систем включающих два процессора

Питание графического адаптера . 24-х контактный разъем питания материнской платы обеспечивает 75 Вт для слота PCI-E. Этого хватаем лишь для графических адаптеров начального уровня. Для более продвинутых решений используется дополнительный 6-ти контактный разъем

Этот разъем подводит дополнительно 75 Вт и в результате 150 Вт для графического адаптера.

В 2008 году ввели 8-ми контактный разъем питания видеокарт

Сие обеспечивает дополнительно 150 Вт, что в сумме дает 225 Вт. Оба разъема обратно совместимы. Это значит, что 6-ти контактный разъем питания можно подключить к 8-ми контактному на графическом адаптере сдвинув его в сторону. И наоборот 8-ми контактный разъем блока питания компьютера можно подключить к 6-ти контактному на графическом адаптере. Конструкция разъема исключает некорректное подключение.

Кроме линий +12 V и земли на обоих разъемах присутствуют контакты Sense. Графический адаптер использует их для определения какой (6-ти или 8-ми контактный) разъем подключен к видеоадаптеру и подключен ли вообще разъем. Если разъем не подключен система на запустится. Если вместо 8-ми контактного разъема подключен 6-ти контактный в зависимости от прошивки графической карты система может не запуститься вообще либо запуститься с ограниченной функциональностью

8-ми контактный разъем питания графического адаптера и 8-ми контактное питание процессора имеют разные ключи (защита от дурака) благодаря чему вы не имеете возможности подключить разъемы не корректно. Так же эти разъемы по разному разделены: для питания графического адаптера 6+2, для питания процессора 4+4 или слитно 8 контактов.

В некоторых блоках питания разъемы PCI-E, для лучшей идентификации, маркируются наклейкой с надписью «PCI-Express»

Важно! Все разъемы блока питания подключаются без особого усилия!

У графических адаптеров среднего и высшего ценового сегмента присутствуют сразу два разъема. В зависимости от мощности: 2х6, 1х6 и 1х8, 2х8.

Бывают случаи когда блок питания не имеет достаточно разъемов питания PCI-E. В таких ситуациях используют Y-образные переходники

Переходник использует два «молекcа» для подключения периферии, т.к. необходимо две линии +12 V для одного 6-ти контактного разъема.

При подключении графического адаптера через переходник убедитесь что линия +12 V выдержит. То есть, найдите в обзорах или на официальном сайте информацию по энергопотреблению видеокарты. После посмотрите характеристику блока питания (на наклейке БП или на сайте производителе) по линии +12 V

Сложите максимальную мощность графических адаптеров и TDP процессора , полученную сумму я умножаю на 1.5 и сравниваю с цифрой в характеристике блока питания. Если полученное значение мощности больше приведенного в характеристике, то возможны проблемы, если меньше — можно пробовать. Если же у вас современный блок питания и цифра получается впритык или даже чуть меньше чем в характеристике, то можно пробовать видеокарту в своих приложениях. Маловероятно, что вы загрузите ее на 100%. Если же у вас старый блок питания , лучше не рисковать.

Питание периферийных устройств . Практически все периферийные устройства питаются от следующий разъемов:

питание периферийных устройств
питание флоппи-дисковода
питание Serial ATA

Питание периферийный устройств . Обычно называется Molex так как производится фирмой с одноименным названием

Имеет 4 контакта: +5 V, +12 V и 2 земля. Рассчитан на ток 11 А на контакт. Используется для подключения старых жестких дисков , оптических приводов, вентиляторов и других устройств использующих питание +5 V или +12 V

Конструкция вилки предусматривает ключи (срезанные углы) препятствующие некорректному подключению периферийный устройств. Некоторые производители (Sirtec в частности) изготавливают данный разъем со специальными полукруглыми приспособлениями для более легкого отсоединения от устройств.

Питание флоппи-дисковода . Питание менее мощных периферийных устройств. Имеет так же 4 контакта. Расстояние между контактами, по сравнению с предыдущим разъемом уменьшено в 2 раза и составляет 2.5 мм

Каждый контакт рассчитан на ток 2 А, что определят максимальную мощность разъема в 34 Вт

В отличии от вилки для питания периферийных устройств в этом контакты +5 V и +12 V перевернуты. Флоппи-дисковод можно подключать «на ходу». Для этого сначала необходимо подключить кабель данных, а затем кабель питания. Отключение происходит в обратной последовательности. Убедитесь, что не используете FDD-дисковод, отключите питание затем шнур данных. Вилка флоппи-дисковода содержит ключ для корректного подключения, но при соединении необходимо быть внимательным (особенно на «ходу»), можно легко сместить контакты при подключении.

Питание Serial ATA . Все современные накопители как HDD так и SSD подключаются этим разъемом

Это 15 контактная вилка для подключения периферии где на каждую линию питания приходится по 3 контакта

Обеспечивает такую же мощность как и стандартный разъем для периферии. Так же на одной стороне присутствует ключ препятствующий некорректному подключению. Для устаревших блоков питания применяются переходники следующего типа, позволяющие подключить одно или два устройства SATA

В переходниках отсутствует линия питания +3.3 V, т. к. современные HDD и SSD ее не используют.

Коэффициент полезного действия — КПД блоков питания

Любое устройство питающееся от сети переменного тока имеет свой коэффициент полезного действия (КПД). Блоки питания компьютера не исключение. КПД — это то количество энергии которое выполняет полезную функцию (питание компьютера). Все остальное преобразуется в тепло. На данный момент существуют уровни эффективности представленные в таблице ниже

Преимущества высокого КПД блока питания:

меньшее потребление энергии в сравнении с блоком питания без соответствующей сертификации. Например блок питания 500 Вт с сертификацией 80 Plus Gold (КПД 90%) и без сертификации (КПД порядка 75%). При нагрузке в 50% (250 Вт) сертифицированный блок питания будет расходовать от сети 277 Вт, не сертифицированный — 333 Вт.
меньший нагрев так как значительно меньше тепла необходимо рассеять
более продолжительный срок работы блока питания за счет более низких температур
меньше шум, так как для отвода небольшого количества тепла требуется вентилятор работающий на более низких оборотах
более качественное питание для комплектующих, следовательно более надежная и стабильная работа всего компьютера
минимальное искажение характеристик сети питания. Каждое устройство питающееся от сети переменного тока вносит свои помехи. В сертифицированных блоках питания применяется специальное устройство APFC (Active Power Factor Correction) повышающее КПД и практически исключающее помехи от блока питания компьютера .

Недостаток один — цена, с лихвой компенсируется преимуществами.

Внутреннее устройство и принцип работы источников питания для компьютера

Коротко опишем принцип работы компьютерного блока питания

На вход подается питание 220 V / 50 Гц (в идеальном случае). В противном случае работает фильтр (1) который убирает пульсации и помехи сети. После питание подается на инвертор сетевого напряжения (2), который увеличивает частоту с 50 Гц до 100 Кгц и выше. Благодаря чему имеется возможность использовать дешевые трансформаторы (3) малых габаритов. Этот трансформатор благодаря высокой частоте может передать огромную мощность при преобразовании высоковольтного напряжения в низковольтное. Рядом с основным трансформатором располагается так же трансформатор дежурного напряжения. Последнее присутствует всегда при подаче питания к блоку. Далее в работу вступают диодные сборки (5), которые вместе с конденсаторами и дросселями сглаживают высокочастотные пульсации и выдают постоянные напряжения подающиеся непосредственно компонентам компьютера.

Основной дроссель групповой стабилизации (6). Применяется в блоках питания среднего ценового диапазона и отвечает за стабилизацию всех выходных напряжений. Если нагрузка на одном из каналов резко увеличивается — напряжение проседает. При такой схеме блок питания повышает напряжения сразу на всех линиях. Качественные, дорогие блоки питания, имеют полностью независимые линии питания, благодаря чему этого эффекта не возникает.

Схема управления частотой вращения вентилятора (7). Позволяет регулировать обороты «карлсона». Так же присутствует плата контроля напряжения и потребляемого тока. Она отвечает за защиту блока от коротких замыканий и перегрузки.

Блоки питания высокого уровня преимущественно изготавливают с модульным подключением кабелей. В этом случае присутствует плата с силовыми разъемами (8) куда непосредственно подключаются провода

Материнская плата — 50 Вт
Процессор от 35 до 130 и выше. Необходимо смотреть по уровню TDP в спецификациях
Модуль памяти — 5 Вт
HDD и оптический привод — 15 — 20 Вт
SSD — менее 10 Вт
вентилятор — от 0,5 до 5 Вт
графический адаптер — необходимо смотреть в спецификациях

Для систем со встроенным, в процессор, видео хватит блока питания 400-500 Вт. Точнее хватит и 250 Вт, но лучше взять с запасом.

Как и где смотреть приблизительное энергопотребление процессора. Заходим на официальный сайт фирмы производителя, находим свой продукт и смотрим характеристики. Нас интересует поле Max. TDP. Эту цифру принимаю за энергопотребление процессора при расчете.

С графическими адаптерами проще. Так же заходим на официальный сайт производителя графических чипов, ищем свой продукт. Открываем вкладку спецификация и если это видеокарта фирмы nvidia, то в разделе «Мощность и температура» находим показатели потребления карты и рекомендации по мощности блока питания. У конкурента потребление карты не нашел, необходимо прочитать обзор, но так же есть рекомендации по необходимой мощности блока питания.

При сборе систем с несколькими графическими адаптерами следует точно знать сколько максимально потребляет данная модель. Данную цифру умножить на количество графических адаптеров в системе, добавить потребление процессора и других устройств. Полученную сумму умножить на 2 и получится мощность рекомендуемого блока питания с приличным запасом. Почему рекомендуют выбирать мощность блока питания с запасом? Потому что, если в одной комнате будет стоять несколько компьютеров с одинаковыми комплектующими, но с различными по мощности блоками питания и параметры питания будут оставлять желать лучшего. При таком раскладе стабильнее будут системы с более мощными блоками питания .

Вывод

В данной статье мы разобрались в характеристиках блока питания компьютера. Подробно разобрали разъемы с помощью которых питаются все комплектующие системы. Разъемы имеют определенные ключи «защита от дурака» и не прикладывая слишком много «ньютонов» при сборке, вы корректно соберете систему. Так же мы поверхностно прошлись по внутреннему строению и принципу работы блока питания компьютера . Узнали, что благодаря повышению частоты с 50 Гц до 100 Кгц и выше удается разместить все компоненты блока в скромных габаритах, без потери мощности. Было рассказано о сертификации блока питания и коэффициенте полезного действия КПД. Рассмотрели положительные и отрицательные стороны высокой эффективности. Это не только меньшие счета за электричество, которые за 3-4 года сведет разницу в стоимости к нулю, но и более стабильная и надежная работа вашего компьютера.

P.S. Выбирайте блок питания для вашего компьютера с запасом по мощности в 1.5 — 2 раза и как можно более высокого стандарта сертификации. Это гарантирует вашему персональному компьютеру качественное и стабильное питание.

С удовольствием отвечу на вопросы в комментариях. Благодарю, что поделились статьей в социальных сетях. Всего Вам Доброго!

Как самому изготовить полноценный блок питания с диапазоном регулируемого напряжения 2,5-24 вольта, да очень просто, повторить может каждый не имея за плечами радиолюбительского опыта.

Делать будем из старого компьютерного блока питания, ТХ или АТХ без разницы, благо, за годы PC Эры у каждого дома уже накопилось достаточно количество старого компьютерного железа и БП наверняка тоже там есть, поэтому себестоимость самоделки будет незначительной, а для некоторых мастеров равно нулю рублей.

Мне достался для переделки вот какой АТ блок.

Чем мощнее будете использовать БП тем лучше результат, мой донор всего 250W с 10 амперами на шине +12v, а на деле при нагрузке всего 4 А он уже не справляется, происходит полная просадка выходного напряжения.

Смотрите что написано на корпусе.

Поэтому смотрите сами, какой ток вы планируете получать с вашего регулируемого БП, такой потенциал донора и закладывайте сразу.

Вариантов доработки стандартного компьютерного БП множество, но все они основаны на изменении в обвязке микросхемы IC - TL494CN (её аналоги DBL494, КА7500, IR3М02, А494, МВ3759, М1114ЕУ, МPC494C и т.д.).

Рис №0 Распиновка микросхемы TL494CN и аналогов.

Посмотрим несколько вариантов исполнения схем компьютерных БП, возможно одна из них окажется ваша и разбираться с обвязкой станет намного проще.

Схема №1.

Приступим к работе.
Для начала необходимо разобрать корпус БП, выкручиваем четыре болта, снимаем крышку и смотрим внутрь.

Ищем на плате микросхему из списка выше, если таковой не окажется, тогда можно поискать вариант доработки в интернете под вашу IС.

В моем случае на плате была обнаружена микросхема KA7500, значит можно приступать к изучению обвязки и расположению ненужных нам деталей, которые необходимо удалить.

Для удобства работы, сначала полностью открутим всю плату и вынем из корпуса.

На фото разъём питания 220v.

Отсоединим питание и вентилятор, выпаиваем или выкусываем выходные провода, чтобы не мешали нам разбираться в схеме, оставим только необходимые, один желтый (+12v), черный (общий) и зеленый* (пуск ON) если есть такой.

В моём АТ блоке зеленого провода нет, поэтому он запускается сразу при включении в розетку. Если блок АТХ, то в нем должен быть зеленый провод, его необходимо припаять на "общий", а если пожелаете сделать отдельную кнопку включения на корпусе, то тогда просто поставьте выключатель в разрыв этого провода.

Теперь надо посмотреть на сколько вольт стоят выходные большие конденсаторы, если на них написано меньше 30v , то надо заменить их на аналогичные, только с рабочим напряжение не меньше 30 вольт.

На фото - черные конденсаторы как вариант замены для синего.

Делается это потому, что наш доработанный блок будет выдавать не +12 вольт, а до +24 вольт, и без замены конденсаторы просто взорвутся при первом испытании на 24v, через несколько минут работы. При подборе нового электролита емкость уменьшать не желательно, увеличивать всегда рекомендуется.

Самая ответственная часть работы.
Будем удалять все лишнее в обвязке IC494, и припаивать другие номиналы деталей, чтобы в результате получилась вот такая обвязка (Рис. №1).

Рис. №1 Изменение в обвязке микросхемы IC 494 (схема доработки).

Нам будут нужны только эти ножки микросхемы №1, 2, 3, 4, 15 и 16, на остальные внимание не обращать.

Рис. №2 Вариант доработки на примере схемы №1

Расшифровка обозначений.

Делать надо примерно так , находим ножку №1 (где стоит точка на корпусе) микросхемы и изучаем, что к ней присоединено, все цепи необходимо удалить, отсоединить. В зависимости от того как у вас в конкретной модификации платы будут расположены дорожки и впаяны детали, выбирается оптимальный вариант доработки, это может быть выпаивание и приподнятие одной ножки детали (разрывая цепь) или проще будет перерезать дорожку ножом. Определившись с планом действий, начинаем процесс переделки по схеме доработки.

На фото - замена резисторов на нужный номинал.

На фото - приподнятием ножек ненужных деталей, разрываем цепи.

Некоторые резисторы, которые уже впаяны в схему обвязки могут подойти без их замены, например, нам необходимо поставить резистор на R=2.7k с подключением к "общему", но там уже стоит R=3k подключенный к "общему", это нас вполне устраивает и мы его оставляем там без изменений (пример на Рис. №2, зеленые резисторы не меняются).

На фото - перерезанные дорожки и добавленные новые перемычки, старые номиналы записываем маркером, может понадобится восстановить все обратно.

Таким образом просматриваем и переделываем все цепи на шести ножках микросхемы.

Это был самой сложный пункт в переделке.

Делаем регуляторы напряжения и тока.

Берем переменные резисторы на 22к (регулятор напряжения) и 330Ом (регулятор тока), припаиваем к ним по два 15см провода, другие концы впаиваем на плату согласно схеме (Рис. №1). Устанавливаем на лицевую панель.

Контроль напряжения и тока.
Для контроля нам понадобятся вольтметр (0-30v) и амперметр (0-6А).

Эти приборы можно приобрести в Китайских интернет магазинах по самой выгодной цене, мой вольтметр мне обошелся с доставкой всего 60 рублей. (Вольтметр: )

Амперметр я использовал свой, из старых запасов СССР.

ВАЖНО - внутри прибора есть резистор Тока (датчик Тока), необходимый нам по схеме (Рис. №1), поэтому, если будете использовать амперметр, то резистор Тока ставить дополнительно не надо, без амперметра ставить надо. Обычно RТока делается самодельный, на 2-х ватное сопротивление МЛТ наматывается провод D=0,5-0,6 мм, виток к витку на всю длину, концы припаяем к выводам сопротивления, вот и все.

Корпус прибора каждый сделает под себя.
Можно оставить полностью металлический, прорезав отверстия под регуляторы и приборы контроля. Я использовал обрезки ламината, их легче сверлить и выпиливать.

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:

фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
основной трансформатор;
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.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

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.

Single-Transistor Forward

⇡ 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.

ATX БЛОК ПИТАНИЯ, СХЕМА

С каждым днём всё более популярны среди радиолюбителей компьютерные блоки питания ATX . При относительно небольшой цене, они представляют собой мощный, компактный источник напряжения 5 и 12 В 250 - 500 ватт. БП ATX можно использовать и в зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, и в лабораторных блоках питания, и в сварочных инверторах, и ещё массу применений можно найти для них при определённой фантазии. Причём если схема БП ATX и подвергается переделке, то минимальной.

Схемотехника этих блоков питания примерно одинакова практически у всех производителей. Небольшое отличие касается лишь БП AT и ATX. Главное различие между ними заключается в том, что БП в AT не поддерживает программно стандарт расширенного управления питанием. Отключить данный БП можно, лишь прекратив подачу напряжение на его вход, а в блоках питания формата ATX есть возможность программного отключения сигналом управления с материнской платы. Как правило плата ATX имеет большие размеры чем AT и вытянута по вертикали.

В любом компьютерном БП, напряжение +12 В предназначено для питания двигателей дисковых накопителей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Это напряжение также подается на вентиляторы. Они потребляют ток до 0.3 А, но в новых компьютерах это значение ниже 0.1 А. Питание +5 вольт подаётся на все узлы компьютера, поэтому имеет очень большую мощность и ток, до 20 А, а напряжение +3.3 вольта предназначено исключительно для запитки процессора. Зная что современные многоядерные процессоры имеют мощность до 150 ватт, нетрудно подсчитать ток этой цепи: 100 ватт/3.3 вольт=30 А! Отрицательные напряжения -5 и -12 В раз в десять слабее основных плюсовых, поэтому там стоят простые 2-х амперные диоды без радиаторов.

В задачи БП входит и приостановка функционирования системы до тех пор, пока величина входного напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power Good. Если этот сигнал не поступил, компьютер работать не будет.

Сигнал Power Good можно использовать для сброса вручную если подать его на микросхему тактового генератора. При заземлении сигнальной цепи Power Good, генерация тактовых сигналов прекращается и процессор останавливается. После размыкания переключателя вырабатывается кратковременный сигнал начальной установки процессора и разрешается нормальное прохождение сигнала - выполняется аппаратная перезагрузка компьютера. В компьютерных БП типа ATX, предусмотрен сигнал, называемый PS ON, он может использоваться программой для отключения источника питания.

Здесь можно скачать компьютерных блоков питания, а тут очень полезная по описанию, видам и принципу действия БП AT и ATX. Для проверки работоспособности блока питания, следует нагрузить БП лампами для автомобильных фар и замерять все выходные напряжения тестером. Если напряжения в пределах нормы. Также стоит проверить изменение выдаваемое БП напряжение с изменением нагрузки.

Работа этих блоков питания очень стабильна и надёжна, но в случае сгорания, чаще всего выходят из строя мощные транзисторы, низкоомные резисторы, выпрямительные диоды на радиаторе, варисторы, трансформатор и предохранитель.

Одним из важных составных элементов современного персонального компьютера является блок питания (БП). При отсутствии питания компьютер не будет работать.

С другой стороны, если блок питания будет вырабатывать напряжение, выходящее за пределы допустимого, то это может вызвать выход из строя важных и дорогих комплектующих.

В таком блоке с помощью инвертора происходит преобразование выпрямленного сетевого напряжения в переменное высокой частоты, из которого формируются необходимые для работы компьютера низкие потоки напряжения.

Схема АТХ блока питания состоит из 2 узлов – выпрямителя сетевого напряжения и для компьютера.

Сетевой выпрямитель представляет собой мостовую схему с емкостным фильтром. На выходе устройства формируется постоянное напряжение величиной от 260 до 340 В.

Основными элементами в составе преобразователя напряжения являются:

инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное;
высокочастотный , работающий на частоте 60 кГц;
низковольтные выпрямители с фильтрами;
устройство управления.

Кроме того, в состав преобразователя входят источник питания дежурного напряжения, усилители сигнала управления ключевыми , схемы защиты и стабилизации, а также другие элементы.

Инвертор включает два силовых транзистора, работающих в ключевом режиме и управляемых с помощью сигналов с частотой 60 кГц, поступающих со схемы управления, реализованной на микросхеме TL494.

В качестве нагрузки инвертора используется импульсный трансформатор, с которого снимаются, выпрямляются и фильтруются напряжения +3,3 В, +5 В, +12 В, -5 В, -12 В.

Основные причины неисправностей

Причинами неисправностей в блоке питания могут быть:

броски и колебания напряжения питающей сети;
некачественное изготовление изделия;
перегрев, связанный с плохой работой вентилятора.

Неисправности обычно приводят к тому, что системный блок компьютера перестает запускаться или после непродолжительной работы выключается. В других случаях, несмотря на работу других блоков, не запускается материнская плата.

Прежде, чем начинать ремонт, надо окончательно убедиться в том, что неисправен именно блок питания. При этом сначала надо проверить работоспособность сетевого кабеля и сетевого выключателя . Убедившись в их исправности можно отсоединять кабели и извлекать из корпуса системного блока.

Перед тем, как повторно автономно включить БП, к нему необходимо подключить нагрузку. Для этого понадобятся резисторы, которые подключаются к соответствующим выводам.

При этом величину сопротивлений резисторов нагрузки надо выбрать так, чтобы по цепям протекали токи, величины которых соответствовали номинальным показателям.

Мощность рассеивания должна соответствовать номинальным напряжениям и токам.

Вначале необходимо проверить влияние материнской платы . Для этого необходимо замкнуть два контакта на разъеме блока питания. На 20-контактном разъеме это будут контакт 14 (провод, по которому подходит сигнал Power On) и контакт 15 (провод, соответствующий выводу GND – Земля). Для 24-контактного разъема — это будут контакты 16 и 17 соответственно.

Исправность БП можно оценить по вращению его вентилятора. Если вентилятор вращается – блок питания исправен.

Далее надо проверить соответствие напряжений на разъеме блока их номинальным величинам. При этом надо учитывать, что в соответствии с документацией на блок питания АТХ допускается отклонение значений напряжения для цепи питания -12В в пределах ± 10%, а для остальных цепей питания ± 5%. В случае невыполнения этих условий надо переходить к ремонту блока питания.

Ремонт компьютерного блока питания ATX

Сняв крышку с блока питания, необходимо сразу с помощью пылесоса вычистить из него всю пыль. Именно из-за пыли часто выходят из строя радиодетали, поскольку пыль, покрывая деталь толстым слоем, вызывает перегрев таких деталей.

Следующим этапом определения неисправностей является тщательный осмотр всех элементов. Особое внимание необходимо обратить на электролитические конденсаторы. Причиной их пробоя может быть тяжелый температурный режим. Неисправные конденсаторы обычно вздуваются, и из них вытекает электролит.

Такие детали надо заменить новыми с такими же номиналами и рабочими напряжениями. Иногда внешность конденсатора не указывает на его неисправность. Если же по косвенным признакам есть подозрение на плохую работу, то можно . Но для этого его нужно выпаять из схемы.

Ухудшение теплового режима внутри блока может быть связано с плохой работой кулера. Для улучшения работы его надо очистить от пыли и смазать подшипники машинным маслом.

Неисправность блока питания может быть также связана с неисправностью низковольтных диодов. Для проверки надо измерить сопротивления прямого и обратного переходов элементов с помощью мультиметра. Для замены неисправных диодов надо использовать такие же диоды Шоттки.

Следующая неисправность, которую можно определить визуально, является образование кольцевых трещин, которые нарушают контакты. Чтобы обнаружить такие дефекты, надо очень тщательно просмотреть печатную плату. Для устранения таких дефектов необходимо использовать тщательную пайку мест образования трещин (для этого необходимо знать, ).

Таким же образом осматриваются резисторы, предохранитель, катушки индуктивности, трансформаторы.

В том случае, если перегорел предохранитель, его можно заменить на другой или починить. В блоке питания используется специальный элемент, имеющий выводы для пайки. Для ремонта неисправного предохранителя его выпаивают из схемы. Затем прогревают металлические чашки и снимают их со стеклянной трубки. Затем выбирают проволочку нужного диаметра.

Необходимый для данного тока диаметр проволоки можно найти по таблицам. Для применяемого в схеме блока питания АТХ предохранителя на 5А диаметр проволоки из меди составит 0,175 мм. Затем проволока вставляется в отверстия чашек предохранителя и фиксируется пайкой. Отремонтированный предохранитель можно впаять в схему.

Выше рассмотрены наиболее простые неисправности компьютерного блока питания.

Для обнаружения и ремонта более сложных поломок требуются хорошая техническая подготовка и более сложные измерительные приборы, например, осциллограф.

Кроме того, элементы, которые необходимо заменять часто являются дефицитом и стоят довольно дорого. Поэтому при сложной неисправности всегда надо сравнивать затраты на ремонт и затраты на приобретение нового блока питания. Часто случается так, что выгодней приобрести новый.

Выводы :

Одним из важнейших элементов ПК является блок питания, при выходе из строя которого компьютер перестает работать.
Блок питания компьютера представляет собой довольно сложное устройство, но в некоторых случаях его можно отремонтировать своими руками.