Из чего состоит блок питания компьютера — его функции и напряжение

ВИДЫ И ТИПЫ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Блок питания (БП) — электротехнический прибор, выполняющий функцию преобразования первичного напряжения (электрической сети, аккумулятора) в величину, требующуюся для работы различного типа оборудования:

• котлов отопления;
• сварочных аппаратов;
• светодиодных лент;
• компьютеров, телевизоров и пр.

Наиболее распространенный вариант БП подразумевает преобразование 220 Вольт переменного напряжения (U) в пониженное постоянное.

Кроме этого, блоки питания могут осуществлять гальваническую развязку между входными и выходными цепями. При этом коэффициент трансформации (отношение входного и выходного напряжений) может быть равным единице.

Примером такого использование может служить энергоснабжение помещений с высокой степенью опасности поражения электрическим током, например, ванных комнат.

Кроме того, достаточно часто бытовые блоки питания могут оснащаться встроенными дополнительными устройствами: стабилизаторами, регуляторами. индикаторами и пр.

Что такое компьютерный блок питания и за он что отвечает

Компоненты компьютера не потребляют переменный ток из сети 220 вольт. Для питания им нужно постоянное напряжение разных уровней (от 3,3 вольта до 12 вольт), этот уровень должен быть стабильным, без перепадов. Также им нужна защита от сверхтока при неисправности. Все эти функции выполняет блок питания. Его основное назначение:

• преобразование переменного напряжения сети в несколько постоянных напряжений;
• стабилизация выходных напряжений независимо от перепадов сетевого напряжения и изменения токов нагрузки.

Также блок питания обеспечивает функции управления:

• поставляет питание к участку материнской платы, ответственной за пуск ПК;
• стартует при получении сигнала от компьютера;
• контролирует наличие всех выходных напряжений, при отсутствии формирует соответствующий сигнал.

БП является важным компонентом компьютера или сервера. Если без некоторых составляющих вычислительная система может работать и, хотя бы в урезанном режиме, функционировать (без CD-ROM привода, без сетевой или звуковой плат, даже в отсутствие клавиатуры или мыши), то без блока питания она даже не запустится.

Распределение нагрузки и возможные неисправности

Напряжение, выдаваемое источником питания, предназначено для различных нагрузок. Таким образом, в зависимости от конфигурации конкретного ПК, потребление энергии в каждой цепи источника питания может меняться. Именно поэтому в технических характеристиках БП указывается не только общая мощность устройства, но и максимальное потребление электротока для каждого типа выходного напряжения.

При апгрейде «железа» ПК следует помнить об этом факте. Например, установка мощного современного видеоускорителя приводит к резкому повышению нагрузки в цепи 12 В. Чтобы ПК работал корректно, возможно потребуется и замена блока питания. Чаще всего неполадки с работой БП связаны со старением элементов его конструкции либо существенным недостатком мощности.

Не стоит забывать и о том, что перегрев выходного каскада может быть связан с накоплением большого количества пыли внутри блока питания. Электролитические конденсаторы, установленные в сетевом выпрямителе и выходных каскадах, больше других деталей склонны к старению.

В первую очередь это касается продукции малоизвестных брендов, использующих дешевые комплектующие. По сути, именно элементная база и качество деталей отличает хорошие устройства от дешевых. Провести ремонт БП самостоятельно может только человек, имеющий определенный набор знаний в области электроники. Однако современные устройства, изготовленные известными брендами, отличаются высокой надежностью. При соблюдении правил обслуживания ПК, проблемы с ними возникают очень редко.

Какие разновидности ставят в ПК

Все компьютерные блоки питания строятся в соответствии со стандартом ATX. Предыдущий стандарт AT отжил свое еще в 90-е годы прошлого столетия. Основное отличие устройства импульсного блока питания компьютера ATX – наличие дежурного напряжения, которое позволяет включить компьютер без коммутации силовых цепей БП.

Строение импульсных источников питания (ИИП), описание схемотехнических решений будет дано ниже, а чтобы изначально сориентироваться в разновидностях БП, надо знать общие принципы классификации устройств.

В первую очередь ИИП для компьютеров делят по мощности, причем параллельно с развитием ПК этот параметр постоянно растет. Если 20 лет назад блока питания мощностью в 250 ватт было достаточно, чтобы закрыть любые потребности, то на текущий момент не всегда достаточно и 550 ватт.

Также многие обращают внимание на наличие сертификата 80PLUS, означающего повышенный КПД блока питания. С технической точки зрения это важно, но с экономической надо понимать, что разница в стоимости компенсирует выигрыш в электроэнергии не раньше, чем за несколько десятков лет. Хотя имеется еще один момент – БП, сертифицированные по высшим категориям 80+ (Gold, Titanium и т.п.), не имеют вентилятора, а это означает практическую бесшумность в работе. Обратной стороной медали является то, что безвентиляторные БП часто выполняются с внешним радиатором, который выступает за габариты корпуса ПК. Это может привести к проблемам с установкой компьютера.

Выходы

Все блоки питания поставляются с длинными пучками проводов, торчащими сзади. Количество проводов и доступных разъёмов для запитывания устройств будут отличаться от модели к модели, но некоторые стандартные подключения должны обеспечивать все БП без исключения.

Так как напряжение – это величина разности потенциалов, то каждый выход подразумевает два провода: один для указанного напряжения (например, +12 В) и провод, относительно которого измеряется разность потенциалов. Этот провод называется заземлением, «землёй», «reference wire» или «общим» проводом, и два этих провода образуют петлю: от блока питания до устройства-потребителя, а затем обратно в БП.

Поскольку в некоторых таких замкнутых контурах токи небольшие, они могут использовать общие провода заземления.

Главным из обязательных разъёмов является 24-pin ATX12V v. 2.4, обеспечивающий основное питание с помощью нескольких выводов различных напряжений, а также имеющий ряд специальных выводов.

Из этих специальных отметим лишь вывод «+5 standby» – дежурное питание компьютера. Это напряжение подаётся на материнскую плату всегда, даже когда компьютер выключен, при условии, что он остаётся включен в розетку и его БП исправен. Дежурное питание нужно материнской плате для того, чтобы оставаться активной.

Большинство PSU также имеют дополнительный 8-pin разъём для материнской платы с двумя линиями +12 В, и по крайней мере один 6 или 8-pin разъём питания для PCI Express.

Со слота PCI Express видеокарты могут взять максимум 75 Вт, поэтому этот разъем обеспечивает дополнительную мощность для современных GPU.

Конкретно наш рассматриваемый блок питания по соображениям экономии фактически использует два разъема питания PCI Express на одной и той же линии. Поэтому, если у вас действительно мощная видеокарта, старайтесь выделить ей независимую линию питания, не делите её с другими устройствами.

Разница между 6 и 8-pin разъемами PCI Express – два дополнительных провода заземления. Это позволяет повысить силу тока, удовлетворяя потребности наиболее прожорливых видеокарт.

Последние несколько лет мы всё чаще стали замечать блоки питания с гордой припиской «модульный» (modular PSU). Это просто означает, что у них отстегивающиеся кабели, что позволяет использовать только необходимое количество кабелей и разъёмов, не подключая всё ненужное, освободив тем самым пространство внутри блока.

Источник фотографии nix.ru
Наш Cooler Master, как и большинство, использует довольно простую систему подключения модульных кабелей.

Каждый разъем имеет по одному проводу +12В, +5В и +3,3В, а также два провода заземления, и в зависимости от того, к какому устройству будет подключен кабель, разъем на другом конце будет использовать либо соответствующую, либо упрощённую распайку.

Представленный на фото выше разъем Serial ATA (SATA) используется для подключения питания жестких дисков, твердотельных накопителей и таких периферийных устройств, как DVD-приводы.

Этот всем знакомый разъём называется замысловато: «разъём питания AMP MATE-N-LOK 1-480424-0». Но все называют его просто Molex, невзирая на то, что это всего лишь название компании-разработчика этого разъёма. Он предоставляет по одному выводу +12В и +5В, и два провода заземления.

На выходных проводах производители тоже могут сэкономить или накрутить цену за счет более ярких или более мягких проводов. Сечение провода также играет важную роль, поскольку более толстые провода обладают меньшим сопротивлением, чем тонкие, поэтому меньше греются при прохождении тока по ним.

Функции и принцип работы основных узлов

Блоки питания в компьютерах выполняются по импульсным схемам. Их основное достоинство – небольшие габариты и вес при высокой мощности. Недостатки тоже известны – сложная схемотехника и, как следствие, пониженная надежность. В целом такие источники ремонтопригодны, но для восстановления требуется повышенная квалификация мастера и наличие приборов.

При построении блоков питания каждый производитель применяет свои схемотехнические решения, но в основе всех ИИП лежит единый принцип работы:

• выпрямление сетевого напряжения;
• «нарезание» из него импульсов высокой частоты (от нескольких килогерц до нескольких сотен килогерц);
• трансформация высокого напряжения в низкое;
• выпрямление, последующая фильтрация постоянных напряжений.

Несмотря на различие схем, большинство источников питающих напряжений построено по стандартной блок-схеме и содержит одни и те же структурные элементы. Рассмотреть их можно на примере принципиальной схемы блока Power Master LP-8 мощностью 230 ватт.

Входной фильтр

Схема входного фильтра БП.

Входной фильтр не является критически важным участком схемы импульсного источника питания – все будет работать без него. Но обойтись без фильтрующих цепей нельзя – ИИП будет генерировать помехи в питающую сеть, и работа других устройств на микроконтроллерах, питающихся от этой же сети, станет непредсказуемой. Входные цепи содержат элементы защиты от синфазных (несимметричных) помех и дифференциальных – симметричных. От первых защищает дроссель LF1 и конденсаторы Cy. Для защиты от вторых установлен конденсатор Cx.

Также входные цепи содержат термистор RTH1 – в холодном состоянии он имеет высокое сопротивление и ограничивает ток заряда конденсаторов высоковольтного выпрямителя. После прогрева его сопротивление падает и он не оказывает влияния на работу.

В схеме присутствует предохранитель F1, защищающий БП от коротких замыканий. Такое включение плавкой вставки не оптимально – элементы RTH1, Cx2, LF1 оказываются незащищенными. Лучше выглядит другая схема входных цепей.

Здесь присутствует еще один элемент – варистор. В обычном состоянии его сопротивление велико, он не влияет на работу БП. Но при выбросах напряжения сети он открывается, его сопротивление падает, и ток через него способствует перегоранию предохранителя.

Высоковольтный выпрямитель и сглаживающий фильтр

Схема выпрямления с фильтрующим конденсатором.

Схема формирования постоянного напряжения особенностей не содержит. Она состоит из двухполупериодного мостового выпрямителя на диодной сборке и сглаживающего фильтра. Конденсаторы соединены последовательно – так выполнен делитель для получения половины напряжения питания, необходимой для работы полумостового инвертора.

Генератор импульсов

Генератор импульсов, управляющих инвертором, выполнен на микросхеме TL494 в стандартном включении. Она представляет собой контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управление средним временем открытого состояния инверторов (следовательно, напряжением на выходах) ведется с помощью регулирования длительности импульсов, следующих с одинаковой частотой. Она задается резистором R53 и конденсатором C27.

На вывод 4 подается напряжение от схемы обработки сигнала PS_ON (Power_ON). Если на этом выводе низкое напряжение, микросхема начинает генерировать импульсы и БП стартует.

Обратная связь по выходным напряжениям организована через вывод 1 – если напряжения блока питания компьютера уменьшаются, ширина импульсов увеличивается и наоборот (все каналы регулируются одновременно). ОС по току в данной схеме не используется, поэтому защиты от перегрузки у данного источника нет. На вывод 13, подан высокий уровень с вывода 14, так определяется режим работы микросхемы – двухтактный. Сформированные импульсы снимаются с выходных транзисторов – выводы 8,9 и 11,10.

Рекомендуем: Как сделать чтобы компьютер автоматически включался при подаче питания

Инвертор

Задача инвертора – сделать из выпрямленного постоянного напряжения однополярное импульсное, пригодное для трансформации (подобно двуполярному переменному). Транзисторы по очереди открываются и закрываются, прикладывая к первичной обмотке трансформатора напряжение около 300 вольт.

В данном случае инвертор собран по полумостовой схеме – компромисс между мостовой и пушпульной. Такая схемотехника применяется в большинстве БП для компьютеров. Так как для открывания ключевых транзисторов Q1, Q2 требуются мощные импульсы тока с хорошей прямоугольностью, они управляются не напрямую от выводов микросхемы, а через предварительный усилитель (драйвер). Он собран на транзисторах Q7, Q8, подключен к оконечному каскаду через трансформатор T2. В этом источнике в качестве ключей применены биполярные транзисторы, в других (особенно мощностью 400+ ватт) могут быть использованы полевые или IGBT, сочетающие достоинства биполярных элементов и MOSFET.

Схема управления и формирования служебных сигналов

Эта схема обычно состоит из нескольких независимых участков. Формирование напряжения Stand By выполнено на отдельном генераторе, питающемся от выпрямленного сетевого напряжения. Генератор нагружен на первичную обмотку трансформатора. С первой вторичной обмотки (1-2) снимается, выпрямляется, стабилизируется линейным регулятором L7805 собственно дежурное питание. Со второй (3-4) снимается напряжение собственных нужд – запитка микросхемы ШИМ, а также драйвера ключей. После запуска ИИП напряжение +12 вольт от соответствующего выходного канала через диод D12 запирает диод D18, а дальнейшее энергоснабжение этих цепей происходит от выходного напряжения.

Сигнал PG (Power Good) формируется указанным участком схемы при наличии всех питающих напряжений. Если все в порядке, на материнскую плату выдается высокий уровень. В случае исчезновения какого-то канала, напряжение на выходе формирователя снижается до нуля, что служит командой на выключение компьютера.

Сигнал PS_ON выдает материнская плата, замыкая зеленый провод БП на общую шину. При этом на эмиттере транзистора Q13 появляется низкий уровень, который через диод D26 разрешает работу микросхемы формирователя ШИМ.

Дело не в стабилитроне

Проверяем, устранилось ли у нас короткое замыкание по цепям дежурки и массы, либо нет. Действительно, короткое замыкание пропало. Я сходил в радиомагазин за новым стабилитроном и запаял его. Включаю блок питания, и… вижу как мой новый, только что купленный стабилитрон испускает волшебный дым)…

И тут я сразу вспомнил одно из главных правил ремонтника:

Если что-то сгорело, найди сначала причину этого, а только затем меняй деталь на новую или рискуешь получить еще одну сгоревшую деталь.

Ругаясь про себя матом, перекусываю сгоревший стабилитрон бокорезами и снова включаю блок питания.

Так и есть, дежурка завышена: 8,5 Вольт. В голове крутится главный вопрос: «Жив ли еще ШИМ контроллер, или я его уже благополучно спалил?». Скачиваю даташит на микросхему и вижу предельное напряжение питания для ШИМ контроллера, равное 16 Вольтам. Уфф, вроде должно пронести…

Приятные бонусы

Одной из самых приятных «фишек» современных БП является модульная конструкция: часть проводов (а иногда и все провода) имеют разъёмы на двух концах, позволяя убирать лишние и неиспользуемые «косы» из системного блока: и эстетически приятнее, и прокладывать кабели внутри ПК удобнее, и меньше сопротивления для воздушных потоков в корпусе. Само собой, за эту фишку приходится доплачивать, пусть и немного.
Если вы собираете компьютер и ваш бюджет сильно ограничен, можно не заморачиваться с «модульниками» и взять просто недорогую качественную модельку со «встроенными» проводами, а лишние 500-600 рублей всегда найдётся, куда вложить.

Особенности

Не секрет, что современные блоки питания (БП) стали мощнее, имеют улучшенные характеристики и конечно же современный дизайн, нежели их предшественники те же 10-15 лет назад. Также, многие из вас знают (или узнают сейчас), что современные БП имеют новые коннекторы для комплектующих, ранее не используемых в персональных компьютерах (ПК). Наличие новых коннекторов связано с появлением новых (или модернизацией старых) комплектующих компьютера, улучшения их ТТХ и как следствие, потребность в дополнительном питании.

На рынке, кроме обычных, можно найти модульные или частично модульные БП. Отличительная черта модульного от обычного — кабели из блока заменены разъемами для подключения кабелей с коннекторами. Так, вы можете отключить неиспользуемые кабели в блоке питания, освободив место в системном блоке для лучшей вентиляции.

Современный БП соответствует стандартам сертификации энергоэффективности и коэффициенту полезного действия, которые применяются для распределения мощности и эффективности подачи питания на комплектующие компьютера. Благодаря «большей прожорливости» в питании тех же видеокарт, материнских плат, БП содержит дополнительные провода, контакты и коннекторы.

Рекомендуемые модели

Из простых, надёжных и ничем не примечательных БП можно отметить FSP ATX-550PNR. Стоит недорого (меньше трёх тысяч рублей), отлично собран, не шумит, имеет двухгодовую гарантию и крайне редко бывает в сервисных центрах. Мощность блока питания составляет 550Вт, чего вполне хватит для вполне типичного системного блока (типа того, что мы «собрали» парой абзацев выше).
Чуть более дорогая модель (но уже с классом эффективности 80+) — Chieftec GPS-550A8, и выглядит поприятнее, и не шумит.

Если после всех расчётов вы пришли к выводу, что вам требует БП мощностью 600-650 ВТ, стоит обратить внимание на модель CoolerMaster G650M. Он имеет сертификацию 80+ Bronze, неплохую систему охлаждения, поддерживает автоматическое регулирование скорости вращения вентилятора, модульную систему подключения кабелей и стоит чуть больше пяти тысяч рублей. Моделька свежая, но в «железной» прессе и среди энтузиастов она пользуется исключительным успехом. К слову, она же существует и в 750-Ваттном исполнении.

Альтернативной для Cooler Master’а в сегменте мощных БП для топовых компьютеров можно смело назвать Corsair CX 750 M. В наличии — все те же плюсы, что и у CM G650M — модульная конструкция, сертификат 80+ Bronze и отличная репутация. К тому же, цена не сильно кусается — у нас «Корсар» стоит чуть меньше семи тысяч рублей.

Ну а про всяких монстров, типа Corsair CP-9020008-EU на 1.2 КВт можете смело забыть. Если у вас не 4 видеокарты за 30-40 тысяч рублей каждая, то такой монстр за ~20 тысяч рублей вам точно не потребуется.