Что такое блок питания компьютера, устройство, виды, схемы, принцип работы, компоненты
Компьютерный блок питания (БП) это устройство, которое преобразовывает сетевое переменное напряжение в несколько постоянных напряжений, номиналом 12, 5 и 3.3 Вольта, которые и потребляют различные компоненты компьютера.
Есть два типа блоков питания: Импульсные (инверторные) и трансформаторные (линейные).
Отличаются они способом преобразования электричества, размером и КПД.
Трансформаторный блок состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный. После него устанавливается фильтр (конденсатор), сглаживающий пульсации и ряд элементов обеспечивающие стабилизацию выходных напряжений и ряд защит.
Импульсный блок питания имеет более сложную схемотехнику, но при этом имеет меньшие габариты и большой КПД, поэтому в современных системах используют именно его.
Чтобы понять как в нём происходит преобразование, нужно начать с самого начала, с разъёма через который поступает высокое, переменное напряжение
Два верхних контакта, это фаза и ноль, средний контакт это заземление.
(Разъемы серии IEC 320 (вилка (папа) – в маркировке обозначается IEC C14; или розетка (мама) – обозначается IEC C13)
Если посмотреть на разъём с обратной стороны, то видно что к среднему контакту припаян проводник с металлическим лепестком на конце, который механически соединён с ближайшим винтом.
Так выполняется подключение корпуса к контуру заземления.
Навесные элементы на разъёме, это первый блок входного помехопадавляющего фильтра. (ПП-фильтр, ЭМП-фильтр).
Фильтр состоит из двух блоков, первый ставят как можно ближе к разъёму, к источнику помех, так фильтр будет эффективней. Обычно он состоит из нескольких конденсаторов, припаянных к контактам разъёма, для защиты от кондуктивных помех.
Второй блок находится рядом на плате и выполняет более сложную фильтрацию. В минимальном варианте представляет собой дроссель и несколько конденсаторов, включенных параллельно входу и нагрузке.
Они так же подавляют кондуктивные помехи, которые возникают в результате работы самого блока питания и приходящие из сети. В этих цепях используются специальные помехопадавляющие конденсаторы, которые разделяются на классы X и Y.
(Конденсаторы (X и Y), во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара)
Большой плёночный конденсатор подавляет дифференциальные помехи, то есть те помехи которые возникают между двумя проводниками цепи.
Синфазные помехи которые протекают через паразитные емкости между силовыми шинами питания и землёй, подавляются небольшими керамическими конденсаторами, они соединяют линии питания в общей точке с землей.
Синфазный дроссель также создаёт сопротивление для этих помех.
Синфазный дроссель состоит из двух одинаковых катушек, изолированных друг от друга и намотанных на одном сердечнике. Помехи на проводниках, подключённых ко входу дросселя, встречают высокое индуктивное сопротивление обеих катушек и подавляются.
В более сложном варианте фильтра, схемы дублируются и добавляются новые, например высокочастотные и низкочастотные фильтры.
(Для корректной работы фильтра необходимо рабочее заземление)
Это важно, так как без входного фильтра, нарушалась бы работа самого блока питания и другой техники, так как импульсный БП является мощным источником импульсных помех.
Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищают предохранителем.
Он нужен для защиты цепи от короткого замыкания. Его номинал должен зависеть от потребляемой мощности, но в большинство БП ставят 3 или 5-амперные предохранители.
(400 Вт – 2,5 А, 600 Вт-4, 800 Вт – 5 А)
Рядом с предохранителем ставят термистор. Он защищает элементы цепи от бросков тока.
При включении импульсного блока питания, происходит резкий скачок тока превышающий рабочие параметры во много раз, для борьбы с броском тока, ставится NTC-термистор, его сопротивление при комнатной температуре велико и импульс при включении гасится об него. В процессе дальнейшего воздействия тока терморезистор нагревается и выходит в рабочий режим, в котором у него низкое сопротивление и дальше на работу цепи он не влияет.
После предохранителя ставят варистор, его устанавливают параллельно нагрузке для защиты цепи от высоковольтных импульсов. При нормальном сетевом напряжении варистор не влияет на работу схемы.
При возникновении высоковольтного импульса, варистор резко уменьшает своё сопротивление и ток протекает через него, рассеивая импульс в виде тепла.
При длительном перенапряжении, варистор возросшим через него током выжигает плавкий предохранитель, защищая остальные элементы блока питания от повреждения.
(Варисторы обеспечивают защиту высоковольтной части блока питания от всплесков напряжения, а термисторы — от большого тока при включении)
После этого блока отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ).
Выпрямитель делает из переменного напряжения, постоянное. Состоит он обычно из 4 диодов. Диоды пропускают ток только в одном направлении, при подключении их по мостовой схеме, на выходе получается пульсирующий ток одной полярности. Такую схему ещё называют «диодный мост». Иногда 4 диода можно встретить в одном корпусе, как одну микросхему.
С выхода диодного моста, пульсирующее напряжение подается на емкостной фильтр.
Его реализуют на плате как один или два высоковольтных конденсатора, включённых параллельно нагрузке.
Конденсатор запасает энергию на вершинах импульсов пульсаций и отдаёт её в нагрузку при провалах выходного напряжения моста, поэтому после фильтра получается стабильное постоянное напряжение.
Массивный дроссель с конденсатором перед фильтром, это PFC - корректор коэффициента мощности.
Он снижает резкую нагрузку на проводку и предотвращает её нагрев и повреждение. Дроссель препятствует заряду конденсатора на пике входной синусоиде и позволяет при спаде. Если этим процессом управляет отдельная схема на плате или контроллер, то это увеличивает эффективность блока питания и такая коррекция называется активной. В некоторых схемах для более высокой эффективности используют, несколько дросселей.
(APFC или Active PFC, Active Power Factor Correction converter)
После фильтра получившееся выпрямленное напряжение поступает на высокочастотный преобразователь.
Он делает из выпрямленного постоянного напряжения высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Делается это обычно двумя мощными транзисторами, которые по очереди открываются и закрываются, их частоту и скважность, задаёт ШИМ-контроллер, путем подачи сигналов на их затворы.
Чем дольше транзистор будет открыт, тем больше он передаст энергии, на первичную обмотку главного трансформатора.
Принцип работы импульсного трансформатора такой же как и у обычного, но работает он на гораздо более высоких частотах, из за чего увеличивается кпд и меньше энергии уходит в тепло, что позволяет заметно уменьшить массу и размер трансформатора, а значит и блока питания в целом.
Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение, которое зависит от количества витков.
В разных блоках по-разному реализована элементная база, поэтому пример может отличаться, но в основном, со вторичных обмоток импульсного трансформатора, снимаются 12, 5 и 3,3 вольта.
Трансформированные напряжения с обмоток дальше поступают на выходные выпрямители.
В отличии от аналога на входе, здесь ток выпрямляется с помощью силовых диодов Шоотки. В каждом таком корпусе находится по два диода, они имеют высокою рабочую частоту и низкое падение напряжения, поэтому именно их используют в качестве выходных (импульсных) выпрямителей.
После, выпрямленные напряжения с диодов поступают на выходной фильтр где сглаживаются конденсаторами и дросселями.
Обычно используют Г и П-образные LC-фильтры, так как сглаживаются высокочастотные импульсы, то большая мощность конденсаторов и катушек не нужна. Для напряжений 12В и 5В используют дроссель групповой стабилизации. 3,3 вольтовая линия стабилизируется отдельно, дросселем поменьше. Связанный дроссель, на несколько линий ставят для экономии места и уменьшения скачков напряжения при резком изменении нагрузки.
Бывают и другие схемы, например есть блоки питания в которых только одна несущая шина, в таких блоках со вторичной обмотки трансформатора снимается только 12 вольт, а напряжения 5 и 3,3 В получают из 12 В, с помощью DC-DC преобразователей, которые распаиваются на небольшой плате. В таких блоках питания выходные напряжения более стабильны.
Чтобы постоянно поддерживать напряжения на должном уровне, при изменении нагрузки. В импульсных блоках питания есть узел стабилизации, который дополнительно является блоком защиты от перегрузки и короткого замыкания. Выполнен узел в виде микросхемы, которая называется супервизор (supervisor).
В современных БП супервизор и ШИМ-контроллер объединены в одну микросхему. Она следит за величиной выходных напряжений. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов (Скважность), пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной обмотке БП. Если хотя бы одно из напряжений выйдет за допустимые пределы, то отключится сигнал Power Good, тем самым материнская плата экстренно остановит систему.
Питается этот узел, от отдельного трансформатора, со своим преобразователем.
Даже когда компьютер «выключен», 5В источник дежурного питания обеспечивает работу: часов реального времени, функции пробуждения, а также подает питание на порты USB.
(Он работает все время, пока БП подключен к сети)
Дежурные 5 вольт поступают на материнскую плату через фиолетовый провод.
Сигнал что питание в норме(PW_OK, Power Good), через серый. Через зелёный провод отправляется сигнал включения (PS_ON, Power On). Черный — это общий провод, «земля».
Эти провода вместе с линиями 3,3 оранжевыми проводами, 5 вольтовыми красными и 12 вольтовыми жёлтыми образуют главный 24-контактный разъём для питания материнской платы и устройств, подключённых к ней.
Раньше на 20 и 14 контакт разъёма выводились отрицательные напряжения −5 В белый провод и −12 В синий провод.
Они допускали небольшие токи, в современных материнских платах эти напряжения не используются. Поэтому в новых блоках этих проводов нет, либо они просто декоративные
Замыкание зелёного провода на землю (на чёрный провод), включит блок питания без подключения к материнской плате. Так его можно проверить на работоспособность
Накопители, приводы и прочие маломощные устройства питаются отдельно от разъёмов SATA и MOLEX.
Центральный процессор и видеокарты получают дополнительное питание от отдельных, разборных разъёмов
Основная мощность отдаётся через эти разъёмы по 12 вольтовой линии, поэтому важно чтобы сечение проводов было достаточным чтобы выдержать токовую нагрузку.
Обычно используют кабели с сечением — 0.5(20AWG) 0.8(18AWG) и 1.3 кв. мм(16AWG). Более толстые провода обладают меньшим сопротивлением, чем тонкие, поэтому меньше греются при увеличении силы тока, необходимой для нормальной работы видеокарт и процессора под нагрузкой.
Выдаваемая сила тока по всем линиям, указывается на наклейке блока питания. На ней так же указывается общая мощность.
Обычно производители указывают общую мощность которая отдаётся по всем линиям, но нужно обращать внимание на мощность, которую блок питания может выдать по линии 12В, умножив напряжение на силу тока, ведь линии 5В и 3.3В в современных компьютерах практически не нагружены.