Вторичная сторона
Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток.
Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.
Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока
Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП.
А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности5.
Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления
Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор.
Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством6.
Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования 5 и 12 В. Выход ?
12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).
Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы
Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается.
Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса7.
Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки
Преобразование ac/dc
Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC).
на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками
?
, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые
. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.
На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения
Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC.
На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке
Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.
Переключатель 115/230 В
Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам.
Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию.
Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя
Требования к рабочему месту
В требования к рабочему месту входят требования к рабочему столу, посадочному месту (стулу, креслу), Подставкам для рук и ног. Несмотря на кажущуюся простоту, обеспечить правильное размещение элементов компьютерной системы и правильную посадку пользователя чрезвычайно трудно. Полное решение проблемы требует дополнительных затрат, сопоставимых по величине со стоимостью отдельных узлов компьютерной системы, поэтому и биту и на производстве этими требованиями часто пренебрегают.
Несмотря на то, что школьники и студенты проводят в компьютерном классе сравнительно немного времени, обучить их правильной гигиене труда на достойном примере очень важно, чтобы полезные навыки закрепились на всю жизнь. Это не просто требование гигиены, а требование методики.
Монитор должен быть установлен прямо перед пользователем и не требовать поворота головы или корпуса тела.Рабочий стол и посадочное место должны иметь такую высоту, чтобы уровень глаз пользователя находился чуть выше центра монитора. На экран монитора следует смотреть сверху вниз, а не наоборот. Даже кратковременная работа с монитором, установленным слишком высоко, приводит к утомлению шейных отделов позвоночника.
Если при правильной установке монитора относительно уровня глаз выясняется, что ноги пользователя не могут свободно покоиться на полу, следует установить подставку для ног, желательно наклонную. Если ноги не имеют надежной опоры, это непременно ведет к нарушению осанки и утомлению позвоночника.
Клавиатура должна быть расположена на такой высоте, чтобы пальцы рук располагались на ней свободно, без напряжения, а угол между плечом и предплечьем составлял 100° — 110°.
При использовании обычных письменных столов добиться одновременно правильного положения и монитора, и клавиатуры практически невозможно. Для работы рекомендуется использовать специальные компьютерные столы, имеющие выдвижные полочки для клавиатуры. Если такой полочки нет и клавиатура располагается на том же столе, что и монитор, использование подставки для ног становится практически неизбежным, особенно когда с компьютером работают дети и подростки.
При длительной работе с клавиатурой возможно утомление сухожилий кистевого сустава. Известно тяжелое профессиональное заболевание — кистевой туннельный синдром, связанное с неправильным положением рук на клавиатуре. Во избежание чрезмерных нагрузок на кисть желательно предоставить рабочее кресло с подлокотниками, уровень высоты которых, замеренный от пола, совпадает с уровнем высоты расположения клавиатуры.
При работе с мышью рука не должна находиться на весу. Локоть руки или хотя бы запястье должны иметь твердую опору. Если предусмотреть необходимое расположение рабочего стола и кресла затруднительно, рекомендуется применить коврик для мыши, имеющий специальный опорный валик.
Нередки случаи, когда в поисках опоры для руки (обычно правой) располагают монитор сбоку от пользователя (соответственно, слева), чтобы он работал вполоборота, опирая локоть или запястье правой руки о стол. Этот прием недопустим. Монитор должен обязательно находиться прямо перед пользователем.
Электрические процессы при реактивной нагрузке
Когда мы рассматривали электрические процессы в системе электроснабжения, то предполагали, что в качестве потребителей используются приборы, преобразующие электрическую энергию в тепло: лампы накаливания, обогреватели, чайники, утюги и т.п. Основным элементом подобного оборудования является нагревательный элемент с сопротивлением R, работающий на основе закона Джоуля-Ленца (1). При подаче на такое устройство напряжения v(t) потребляемый ток i(t) будет определяться законом Ома:
Это значит, что в системе электроснабжения напряжение v(t) и ток i(t) будут иметь одинаковую форму, а их численные значения (без учета единиц измерения) будут отличаться на постоянный коэффициент R. Такую нагрузку принято называть «нагрузкой с активным характером потребления» или просто «активной нагрузкой».
А теперь подключим к источнику питания с переменным напряжением элементы, способные накапливать энергию, например, конденсатор емкостью 1 мкФ, и посмотрим, что произойдет. За начальную точку отсчета примем момент времени, когда закончится отрицательный полупериод и напряжение в сети станет равным нулю. В этот момент конденсатор полностью разряжен, и энергии в нем нет.
Через четверть периода (5 мс при частоте 50 Гц) напряжение в сети достигнет амплитудного значения VM = 325 B. При таком напряжении в электрическом поле диэлектрика конденсатора емкостью C = 1 мкФ будет присутствовать энергия EC, равная:
Откуда взялась эта энергия? Очевидно, что она была потреблена из источника питания, ведь других элементов в системе нет. Таким образом, в течение первой четверти периода конденсатор потребил из источника питания 52.8 мДж энергии и сохранил ее в своем электрическом поле (Рисунок 7).
Но мы пока не будем отключать конденсатор, а посмотрим, что произойдет дальше. Через четверть периода напряжение в сети, а, следовательно, и напряжение на конденсаторе станет равным нулю. Если на обкладках конденсатора нет напряжения, то, соответственно, нет и энергии в его диэлектрике.
А куда делись 52.8 мДж, накопленных в нем в течение первой четверти периода? Деваться этой энергии некуда – в системе присутствуют всего два элемента: источник питания и конденсатор. Таким образом, в течение второй четверти периода энергия в системе передавалась в обратном направлении: из нагрузки в источник питания.
В течение следующих 5 мс абсолютное значение напряжения в сети снова начнет увеличиваться, но уже с противоположным знаком, достигнув к концу третьей четверти периода величины –325 B. В этот момент энергия в конденсаторе снова достигнет значения 52.8 мДж, поскольку, согласно формуле (3), полярность напряжения на обкладках конденсатора никак не влияет на количество энергии, находящейся в электрическом поле его диэлектрика.
А еще через 5 мс напряжение в сети снова станет равным нулю и энергии в конденсаторе снова не будет. Значит, за последнюю четверть периода 52.8 мДж энергии снова было перемещено из конденсатора обратно в источник питания.
А сколько энергии было потреблено из системы в целом за период? Правильный ответ – нисколько. На протяжении периода сетевого напряжения конденсатор дважды «забирал» 52.8 мДж энергии из источника и дважды «возвращал» это же количество обратно, не оставив «себе» ничего. Получается какая-то бессмысленная система. Вроде бы в цепи есть и напряжение (V = 230 В), и ток I:
где XC – реактивное сопротивление конденсатора емкостью C в цепи переменного тока с частотой f.
Но энергия при этом из источника не потребляется, а раз энергия не потребляется, следовательно, и никакой полезной работы такое оборудование выполнить не может. Хорошо это или плохо? Однозначно плохо. Ведь генератор нагружен, его обмотки и соединительные провода вследствие протекания тока нагреваются (значит, есть потери энергии), а ничего полезного такая система не выполняет.
Если проанализировать диаграммы напряжения v(t) и тока i(t), то окажется, что в системе электропитания ток, потребляемый конденсатором, имеет синусоидальную форму, но его фаза на угол φ = 90° опережает фазу напряжения (Рисунок 8).
Аналогичная ситуация будет, если подключить вместо конденсатора дроссель. Точно также энергия будет дважды за период накапливаться в магнитном поле дросселя и дважды в таком же количестве возвращаться обратно. Только фаза тока при этом будет на φ = 90° отставать от фазы напряжения. А его действующее значение будет определяться формулой:
где XL – реактивное сопротивление дросселя с индуктивностью L в цепи переменного тока с частотой f.
Рассмотренные выше процессы могут существовать только в идеальных системах. На практике никто не будет просто так подключать к сети дроссели и конденсаторы, ведь система электроснабжения предназначена для передачи энергии с целью выполнения полезной работы.
А вот нагрузки со смешанным характером потребления энергии, в частности, активно-индуктивным, очень даже распространены. К ним относится оборудование, содержащее моточные элементы: трансформаторы, электромагниты, электродвигатели и ряд других. Иногда реактивные элементы используют вместо балластных резисторов, ведь и дроссель, и конденсатор в цепи переменного тока с частотой f = 50 Гц имеют вполне конкретное реактивное сопротивление, которое можно определить по формулам (4) и (5).
При смешанных нагрузках – активно-индуктивной и активно-емкостной – ток, потребляемый оборудованием, имеет синусоидальную форму, но сдвинут по фазе относительно напряжения на некоторый угол φ, значение которого находится в диапазоне: –90° < φ <
Наличие сдвига фаз между напряжением и током (φ ≠ 0) приводит к дополнительным нагрузкам на энергосистему при неизменном количестве потребляемой энергии. Из-за этого энергетики различают несколько видов мощности.
Мгновенной мощностью, обозначаемой p(t), называют мощность в данный момент времени. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения v(t) и тока i(t), существующих в системе в данный момент времени:
Мгновенная мощность измеряется в ваттах и может быть положительной и отрицательной. В теории электрических цепей за условно положительное направление тока принято направление от положительного полюса источника питания к отрицательному. При таком соглашении, если знаки напряжения и тока совпадают, то мгновенная мощность будет положительной, и энергия будет передаваться от источника питания к потребителю (Рисунок 10).
Направление передачи энергии может меняться не только в системах электроснабжения переменного тока. В цепях постоянного тока тоже могут происходить подобные вещи. Примером тому являются устройства с питанием от аккумуляторных батарей (Рисунок 11). Если через аккумулятор протекает ток, направленный от его положительного полюса к отрицательному, то аккумулятор будет заряжаться, выступая в качестве потребителя энергии, а если наоборот – то разряжаться, выполняя роль источника электрической энергии.
Как видим, в системах электроснабжения энергия передается с разной скоростью и в разных направлениях, что очень неудобно при проведении расчетов, например, при составлении счетов за электроэнергию. Поэтому на практике обычно используют среднее значение мгновенной мощности P:
где T – период сетевого напряжения.
Эта мощность называется активной мощностью и, так же как и мгновенная, измеряется в ваттах. Активная мощность показывает, какое количество энергии проходит через систему за единицу времени и используется нагрузкой для полезных дел. Если умножить активную мощность на время работы системы t, то можно определить общее количество потребленной энергии E и, соответственно, общее количество проделанной полезной работы:
Однако энергетики, кроме полезной мощности, должны знать еще и уровень дополнительных нагрузок, создаваемых оборудованием на систему. Этот параметр получил название реактивная мощность. Реактивная мощность обозначается буквой Q и измеряется в варах (вольт-ампер реактивные, вар).
Чтобы нагрузки, питаемые переменным напряжением, могли нормально работать, система электроснабжения должна обеспечить их энергией с учетом дополнительных нагрузок, поэтому пришлось ввести еще один вид мощности, получившей название полная мощность.
Полная мощность обозначается буквой S и определяет уровень нагрузки, создаваемой потребителем на систему электроснабжения с учетом активной и реактивной составляющих. Для исключения путаницы полную мощность измеряют в вольт-амперах (В·А), подчеркивая, что этот параметр показывает лишь произведение напряжения и тока в системе электропитания, а реальная мощность, измеряемая в ваттах, может отличаться от этого параметра.
Полную мощность часто называют «кажущейся». То есть, если в системе электроснабжения существует напряжение и ток с действующими значениями, соответственно, V и I, то кажется, что через такую систему должна проходить электрическая энергия со скоростью S:
Однако из-за того, что часть энергии со скоростью Q будет возвращаться обратно в источник, фактическая скорость потребления энергии P будет меньше S.
Начинающим специалистам обычно сложно с первого раза разобраться в этих процессах, поэтому представьте, что вы проголодались и заказали себе пиццу с доставкой на дом, а живете вы на двадцать втором этаже. Пицца тоже является источником энергии, поэтому курьера смело можно считать системой энергоснабжения.
И вот приезжает к вашему дому курьер на мопеде и ему остается только подняться к вам на 22-ой этаж. Обычно курьер оставляет мопед внизу и поднимается к вам только с коробкой пиццы. Но вы решили сделать прикольную фотку для своих страничек в соцсетях, поэтому в заказе указали, что курьер должен позвонить в дверь вашей квартиры, сидя на мопеде.
В этом случае курьеру придется поднять на 22-ой этаж не только пиццу, но и мопед (Рисунок 12). Поскольку мопед вы кушать не будете, то курьеру после фотосессии придется спустить его вниз и забрать с собой. Таким образом, конечный результат, в обоих случаях будет одинаков – вы съедите пиццу (активную энергию) и вернете мопед (реактивную энергию). Вот только курьер (система энергоснабжения) во втором случае больше устанет, особенно если мопед не поместится в лифте.
И теперь сразу становится понятно, что при наличии реактивных нагрузок система электроснабжения должна быть мощнее (иметь большую полную мощность), поскольку ей придется теперь доставлять и активную и реактивную энергию, а хилый (маломощный) курьер не поднимет мопед с пиццей на 22-ой этаж, то есть не обеспечит потребности клиента.
Вот и получается, что реактивная мощность – это зло, с которым нужно бороться. И бороться с ним должны, в первую очередь, энергетики, иначе им придется постоянно (100 раз в секунду при частоте сети 50 Гц) «доставлять пиццу вместе с мопедом», то есть тратить свои ресурсы на транспортировку реактивной энергии в угоду капризам своих клиентов, сэкономивших на оборудовании.
Поэтому у энергетиков есть свои механизмы уменьшения уровня реактивной мощности. Например, «мопед» (реактивную энергию) можно хранить в соседней квартире и не поднимать каждый раз – в этом заключается принцип компенсации реактивной мощности с помощью технических устройств.
Но вернемся к технической стороне процесса. Активная, реактивная и полная мощности связаны между собой соотношением, напоминающим теорему Пифагора:
Поэтому их очень часто изображают графически в виде прямоугольного треугольника мощностей, где полная мощность S является гипотенузой, а активная P и реактивная Q мощности – катетами (Рисунок 13). Самое интересное заключается в том, что угол φ между гипотенузой и катетом, соответствующим активной мощности, численно совпадает со сдвигом фазы между напряжением и током (Рисунок 9).
В этом случае связь между разными типами мощности можно представить следующими соотношениями:
В формуле (11) особого внимания заслуживает параметр cosφ, получивший специальное название «коэффициент мощности» (Power Factor). Коэффициент мощности является безразмерной величиной, связывающий активную и полную мощности, и может принимать значение от 0 до 1.
Фактически этот параметр определяет качество потребления энергии конкретным оборудованием (Таблица 1) – чем он выше, тем меньше дополнительных нагрузок создает потребитель на источник питания и, соответственно, тем более качественно оборудование потребляет электрическую энергию.
| Таблица 1. | Оценка качества потребления энергии по коэффициенту мощности | ||||||||||||
| |||||||||||||
