Alimentare cu PFC activ. Cum să alegi o sursă de alimentare pentru computer

Ce este o sursă de alimentare activă PFC Factorul de putere Modul de corectare?

1. PFC (corecție factor de putere)

   Circuitul obișnuit, clasic, de redresare a tensiunii de 220 V AC este format din punte de diodeși un condensator de netezire. Problema este că curentul de încărcare a condensatorului este de natură pulsat (durată aproximativ 3mS) și, drept consecință, foarte curent mare. De exemplu, pentru o sursă de alimentare cu o sarcină de 200W, curentul mediu dintr-o rețea de 220V va fi de 1A, iar curentul de impuls va fi de 4 ori mai mare. Ce se întâmplă dacă există multe astfel de surse de alimentare și (sau) sunt mai puternice? ..atunci curenții vor fi pur și simplu nebuni - cablajul și prizele nu vor rezista și va trebui să plătiți mai mult pentru electricitate, deoarece se ia foarte mult în considerare calitatea consumului de curent. De exemplu, fabricile mari au unități speciale de condensatoare pentru compensarea cosinusului. În modern tehnologie informatică Ne-am confruntat cu aceleași probleme, dar nimeni nu va instala structuri cu mai multe etaje și am mers invers - în sursele de alimentare au pus un element special pentru a reduce „impulsul” curentului consumat - PFC. Este construit între redresor și condensator, limitează curentul în amplitudine și îl extinde în timp. PFC-urile sunt fie pasive, fie active, ceea ce este determinat de elementul de amortizare.

2. Nu știu exact, dar acesta este un filtru de zgomot încorporat în rețeaua electrică. Adică, un astfel de computer nu are nevoie protector de supratensiune.
3. PFC (Power Factor Correction) este tradus ca Power Factor Correction, numită și compensarea puterii reactive.
4. O sursă de alimentare comutată convențională este alimentată de o undă sinusoidală (aceeași care este de 220V) printr-un redresor (punte) cu sarcină capacitivă. Prin urmare, curentul consumat este departe de a fi sinusoidal are forma unor vârfuri scurte situate în vârfurile sinusoidei. Adică, din punctul de vedere al teoriei circuitelor, este un element neliniar și provoacă o interferență puternică (armonici de 50 Hz) care să fie emise în rețea. La cantitati mari asemenea sarcini sunt de asemenea perturbate funcționare normală stație de transformare - pierderile cresc, randamentul scade. PFC este un convertor suplimentar alimentat de un redresor fără sarcină capacitivă (tensiune pulsativă cu o frecvență de 100 Hz) și ieșire tensiune constantă, de la care convertorul principal este deja alimentat. Avantajul unui astfel de circuit este că curentul consumat este aproape de un sinusoid, nivelul de interferență este redus și transformatorul funcționează în modul normal. Dezavantajul este complexitatea și prețul. De obicei, astfel de scheme se găsesc în sursele de alimentare putere mare, începând de la sute de wați, inclusiv convertoarele acum populare pentru motoare asincrone.
5. PFC (Power Factor Correction) este tradus ca Power Factor Correction, numită și compensarea puterii reactive. Cel mai simplu și deci cel mai comun este așa-numitul PFC pasiv, care este un inductor convențional de inductanță relativ mare, conectat la rețea în serie cu sursa de alimentare.
   PFC activ este altul sursa de puls alimentare și creșterea tensiunii.
   PFC activ, spre deosebire de pasiv, îmbunătățește funcționarea sursei de alimentare - stabilizează suplimentar tensiunea de intrare a stabilizatorului principal al unității, de asemenea, unitatea devine semnificativ mai puțin sensibilă la tensiunea de rețea scăzută; o sursă de alimentare universală de 110...230V sunt destul de ușor dezvoltate, nefiind necesară comutarea manuală a tensiunii de rețea. (Asemenea PSU-uri au o caracteristică specifică: sunt utilizate împreună cu UPS-uri ieftine (sursă neîntreruptibilă) care oferă semnal de pas atunci când funcționează cu baterii, poate duce la defecțiuni ale computerului, așa că producătorii recomandă utilizarea unui UPS de clasă Smart în astfel de cazuri)
   De asemenea, utilizarea PFC activă îmbunătățește răspunsul sursei de alimentare în timpul scăderilor de scurtă durată (fracții de secundă) în tensiunea rețelei în astfel de momente, unitatea funcționează folosind energia condensatoarelor redresoare de înaltă tensiune, eficiența de care mai mult decât se dublează. Un alt avantaj al folosirii unui PFC activ este că acesta nivel scăzut interferențe de înaltă frecvență pe liniile de ieșire, adică astfel de surse de alimentare sunt recomandate pentru utilizare la computerele cu periferice proiectate să funcționeze cu materiale audio/video analogice.

Surse de alimentare liniare și comutatoare

Să începem cu elementele de bază. Sursa de alimentare a unui computer îndeplinește trei funcții. În primul rând, curentul alternativ de la sursa de alimentare de uz casnic trebuie convertit în curent continuu. A doua sarcină a sursei de alimentare este reducerea tensiunii de 110-230 V, care este excesivă pentru electronica computerului, la valorile standard cerute de convertoarele de putere ale componentelor individuale ale PC-ului - 12 V, 5 V și 3,3 V. (precum și tensiuni negative, despre care vom vorbi puțin mai târziu) . În cele din urmă, sursa de alimentare joacă rolul unui stabilizator de tensiune.

Există două tipuri principale de surse de alimentare care îndeplinesc funcțiile de mai sus - liniare și comutatoare. Cea mai simplă sursă de alimentare liniară se bazează pe un transformator, pe care tensiunea AC este redusă la valoarea necesară, iar apoi curentul este redresat de puntea de diode.

Cu toate acestea, sursa de alimentare este, de asemenea, necesară pentru a stabiliza tensiunea de ieșire, care se datorează atât instabilității tensiunii din rețeaua de uz casnic, cât și unei căderi de tensiune ca răspuns la o creștere a curentului în sarcină.

Pentru a compensa căderea de tensiune, într-o sursă de alimentare liniară, parametrii transformatorului sunt calculați pentru a furniza puterea în exces. Apoi la curent mare se va respecta tensiunea necesară în sarcină. Cu toate acestea tensiune crescută care s-ar produce fără niciun mijloc de compensare la curent de sarcină utilă scăzută este de asemenea inacceptabilă. Excesul de tensiune este eliminat prin includerea unei sarcini neutile în circuit. În cel mai simplu caz, acesta este un rezistor sau un tranzistor conectat printr-o diodă Zener. Într-o versiune mai avansată, tranzistorul este controlat de un microcircuit cu un comparator. Oricum ar fi, puterea în exces este pur și simplu disipată sub formă de căldură, ceea ce afectează negativ eficiența dispozitivului.

În circuitul de alimentare cu comutație mai apare o variabilă, de care depinde tensiunea de ieșire, pe lângă cele două deja existente: tensiunea de intrare și rezistența de sarcină. Există un comutator în serie cu sarcina (care în cazul care ne interesează este un tranzistor), controlat de un microcontroler în modul de modulare a lățimii de impuls (PWM). Cu cât durata stărilor deschise ale tranzistorului este mai mare în raport cu perioada lor (acest parametru se numește duty cycle, în terminologia rusă se folosește valoarea inversă - duty cycle), cu atât este mai mare tensiunea de ieșire. Datorită prezenței unui comutator, o sursă de alimentare comutată se mai numește și Switched-Mode Alimentare electrică(SMPS).

Niciun curent nu trece printr-un tranzistor închis, iar rezistența unui tranzistor deschis este în mod ideal neglijabilă. În realitate, un tranzistor deschis are rezistență și disipează o parte din putere sub formă de căldură. În plus, tranziția între stările tranzistorului nu este perfect discretă. Și totuși, eficiența unei surse de curent pulsat poate depăși 90%, în timp ce eficiența unei surse de alimentare liniare cu stabilizator este cel mai bun scenariu ajunge la 50%.

Un alt avantaj al surselor de alimentare comutate este reducerea radicală a dimensiunii și greutății transformatorului în comparație cu sursele de alimentare liniare de aceeași putere. Se știe că cu cât este mai mare frecvența curentului alternativ în înfășurarea primară a unui transformator, cu atât dimensiunea necesară a miezului și numărul de spire ale înfășurării sunt mai mici. Prin urmare, tranzistorul cheie din circuit este plasat nu după, ci înaintea transformatorului și, pe lângă stabilizarea tensiunii, este folosit pentru a produce curent alternativ. frecventa inalta(pentru sursele de alimentare pentru computer, aceasta este de la 30 la 100 kHz și mai sus și, de regulă, - aproximativ 60 kHz). Transformator care funcționează la frecvența rețelei 50-60 Hz pentru puterea necesară calculator standard, ar fi de zeci de ori mai masiv.

Sursele de alimentare liniare sunt folosite astăzi în principal în cazul aplicațiilor de putere redusă, unde electronica relativ complexă necesară unei surse de alimentare în comutație constituie un element de cost mai sensibil în comparație cu un transformator. Acestea sunt, de exemplu, surse de alimentare de 9 V, care sunt folosite pentru pedalele de efecte de chitară și o dată pentru console de jocuri etc. Dar încărcătoarele pentru smartphone-uri sunt deja în întregime pulsate - aici costurile sunt justificate. Datorită amplitudinii semnificativ mai mici a ondulației de tensiune la ieșire, sursele de alimentare liniare sunt utilizate și în acele zone în care această calitate este solicitată.

⇡ Schema generală a unei surse de alimentare ATX

BP computer desktop este o sursă de alimentare comutată, a cărei intrare este alimentată cu tensiune de uz casnic cu parametrii 110/230 V, 50-60 Hz, iar ieșirea are un număr de linii DC, cele principale sunt nominale 12, 5 și 3,3 V. În plus, sursa de alimentare oferă o tensiune de -12 V, iar uneori și o tensiune de -5 V, necesară pentru magistrala ISA. Dar acesta din urmă a fost la un moment dat exclus din standardul ATX din cauza sfârșitului suportului pentru ISA în sine.

În schema simplificată a unei surse de alimentare cu comutație standard prezentată mai sus, pot fi distinse patru etape principale. În aceeași ordine, luăm în considerare componentele surselor de alimentare în recenzii, și anume:

1. filtru EMI - interferență electromagnetică (filtru RFI);
2. circuit primar - redresor de intrare (redresor), tranzistori cheie (comutator), creând curent alternativ de înaltă frecvență pe înfășurarea primară a transformatorului;
3. transformator principal;
4. circuit secundar - redresoare de curent din înfășurarea secundară a transformatorului (redresoare), filtre de netezire la ieșire (filtrare).

⇡ Filtru EMF

Filtrul de la intrarea sursei de alimentare servește la suprimarea a două tipuri de interferențe electromagnetice: diferențială (mod diferențial) - atunci când curentul de interferență curge în laturi diferiteîn liniile electrice și în modul comun - atunci când curentul curge într-o singură direcție.

Zgomotul diferențial este suprimat de condensatorul CX (condensatorul mare de film galben din fotografia de mai sus) conectat în paralel cu sarcina. Uneori, la fiecare fir este atașat suplimentar un șoc, care îndeplinește aceeași funcție (nu pe diagramă).

Filtrul de mod comun este format din condensatoare CY (condensatoare ceramice în formă de picătură albastră din fotografie), conectând liniile de alimentare la masă într-un punct comun etc. o bobină de modul comun (LF1 în diagramă), al cărei curent în cele două înfășurări circulă în aceeași direcție, ceea ce creează rezistență pentru interferența în modul comun.

În modelele ieftine se instalează set minim piese de filtrare, în cele mai scumpe circuitele descrise formează legături repetate (în totalitate sau parțial). În trecut, nu era neobișnuit să vezi surse de alimentare fără niciun filtru EMI. Acum, aceasta este mai degrabă o excepție curioasă, deși dacă cumpărați o sursă de alimentare foarte ieftină, puteți totuși să dați cu o astfel de surpriză. Ca urmare, nu numai și nu atât de mult computerul în sine va avea de suferit, ci și alte echipamente conectate la rețeaua casnică - sursele de alimentare comutatoare sunt sursă puternică interferență

În zona de filtrare a unei surse de alimentare bune, puteți găsi mai multe părți care protejează dispozitivul în sine sau proprietarul său de deteriorare. Aproape întotdeauna există o siguranță simplă de care să vă protejați scurt-circuit(F1 în diagramă). Rețineți că atunci când siguranța se declanșează, obiectul protejat nu mai este sursa de alimentare. Dacă apare un scurtcircuit, înseamnă că tranzistoarele cheie au spart deja și este important să preveniți cel puțin ca cablurile electrice să ia foc. Dacă o siguranță din sursa de alimentare se arde brusc, atunci înlocuirea acesteia cu una nouă este cel mai probabil inutilă.

Este asigurată protecție separată împotriva Pe termen scurt supratensiuni folosind un varistor (MOV - Metal Oxide Varistor). Dar nu există mijloace de protecție împotriva creșterilor prelungite de tensiune în sursele de alimentare ale computerelor. Această funcție este îndeplinită de stabilizatori externi cu transformator propriu în interior.

Condensatorul din circuitul PFC după redresor poate păstra o încărcare semnificativă după ce a fost deconectat de la curent. Pentru a împiedica o persoană neatentă care își bagă degetul în conectorul de alimentare să primească un șoc electric, între fire este instalat un rezistor de descărcare de mare valoare (rezistor de purtare). Într-o versiune mai sofisticată - împreună cu un circuit de control care previne scurgerea încărcăturii atunci când dispozitivul funcționează.

Apropo, prezența unui filtru în sursa de alimentare a PC-ului (și sursa de alimentare a unui monitor și aproape orice echipament de computer are, de asemenea, unul) înseamnă că cumpărarea unui „filtru de supratensiune” separat în loc de un prelungitor obișnuit este, în general , inutil. Totul este la fel în interiorul lui. Singura condiție în orice caz este cablarea normală cu trei pini cu împământare. În caz contrar, condensatorii CY conectați la masă pur și simplu nu își vor putea îndeplini funcția.

⇡ Redresor de intrare

După filtru, curentul alternativ este convertit în curent continuu folosind o punte de diode - de obicei sub forma unui ansamblu într-o carcasă comună. Un radiator separat pentru răcirea podului este binevenit. Un pod asamblat din patru diode discrete este un atribut al surselor de alimentare ieftine. De asemenea, puteți întreba pentru ce curent este proiectat puntea pentru a determina dacă se potrivește cu puterea sursei de alimentare în sine. Deși, de regulă, există o marjă bună pentru acest parametru.

⇡ Bloc PFC activ

Într-un circuit de curent alternativ cu o sarcină liniară (cum ar fi un bec cu incandescență sau o sobă electrică), fluxul de curent urmează aceeași undă sinusoidală ca și tensiunea. Dar nu este cazul dispozitivelor care au un redresor de intrare, cum ar fi comutarea surselor de alimentare. Sursa de alimentare trece curentul în impulsuri scurte, aproximativ coincizând în timp cu vârfurile undei sinusoidale de tensiune (adică tensiunea maximă instantanee) atunci când condensatorul de netezire al redresorului este reîncărcat.

Semnalul de curent distorsionat este descompus în mai multe oscilații armonice în suma unei sinusoide de o amplitudine dată (semnalul ideal care ar apărea cu o sarcină liniară).

Puterea folosită pentru a efectua lucrări utile (care, de fapt, este încălzirea componentelor PC-ului) este indicată în caracteristicile sursei de alimentare și se numește activă. Puterea rămasă generată vibratii armonice curentul se numește reactiv. Nu produce muncă utilă, dar încălzește firele și creează o sarcină asupra transformatoarelor și a altor echipamente de alimentare.

Suma vectorială a puterii reactive și active se numește putere aparentă. Iar raportul dintre puterea activă și puterea totală se numește factor de putere - nu trebuie confundat cu eficiența!

O sursă de alimentare comutată are inițial un factor de putere destul de scăzut - aproximativ 0,7. Pentru un consumator privat, puterea reactivă nu este o problemă (din fericire, nu este luată în calcul de contoarele de energie electrică), decât dacă folosește un UPS. Sursa de alimentare neîntreruptibilă este responsabilă pentru întreaga putere a sarcinii. La scara unei rețele de birouri sau oraș, puterea reactivă în exces creată prin comutarea surselor de alimentare deja reduce semnificativ calitatea sursei de alimentare și provoacă costuri, astfel încât este combatată activ.

În special, marea majoritate a surselor de alimentare pentru computere sunt echipate cu circuite de corectare a factorului de putere activă (Active PFC). O unitate cu un PFC activ este ușor de identificat printr-un singur condensator mare și un inductor instalat după redresor. În esență, Active PFC este un alt convertor de impulsuri care acceptă on-capacitor încărcare constantă tensiune de aproximativ 400 V. În acest caz, curentul din rețeaua de alimentare este consumat în impulsuri scurte, a căror lățime este selectată astfel încât semnalul să fie aproximat de o sinusoidă - care este ceea ce este necesar pentru a simula o sarcină liniară. Pentru a sincroniza semnalul de consum de curent cu sinusoidul de tensiune, controlerul PFC are o logică specială.

Circuitul activ PFC conține una sau două tranzistoare cheie și o diodă puternică, care sunt plasate pe același radiator cu tranzistoarele cheie ale convertorului principal de alimentare. De regulă, controlerul PWM al cheii convertizorului principal și cheia PFC activă sunt un singur cip (Combo PWM/PFC).

Factorul de putere al comutării surselor de alimentare cu PFC activ ajunge la 0,95 și mai mult. În plus, au unul beneficiu suplimentar- nu este necesar un întrerupător de rețea 110/230 V sau un dublator de tensiune corespunzător în interiorul sursei de alimentare. Majoritatea circuitelor PFC gestionează tensiuni de la 85 la 265 V. În plus, sensibilitatea sursei de alimentare la căderile de tensiune pe termen scurt este redusă.

Apropo, pe lângă corecția PFC activă, există și una pasivă, care implică instalarea unui inductor de inductanță mare în serie cu sarcina. Eficiența sa este scăzută și este puțin probabil să găsiți acest lucru într-o sursă de alimentare modernă.

⇡ Convertor principal

Principiul general de funcționare pentru toate sursele de alimentare cu impulsuri ale unei topologii izolate (cu un transformator) este același: un tranzistor cheie (sau tranzistori) creează curent alternativ pe înfășurarea primară a transformatorului, iar controlerul PWM controlează ciclul de lucru al comutarea lor. Cu toate acestea, circuitele specifice diferă atât în ​​ceea ce privește numărul de tranzistori cheie și alte elemente, cât și în caracteristicile calitative: eficiență, forma semnalului, zgomot etc. Dar aici depinde prea mult de implementarea specifică pentru ca aceasta să merite să ne concentrăm. Pentru cei interesați, punem la dispoziție un set de diagrame și un tabel care vă va permite să le identificați în dispozitive specifice în funcție de compoziția pieselor.

În plus față de topologiile enumerate, în sursele de alimentare scumpe există versiuni rezonante ale Half Bridge, care sunt ușor de identificat printr-un inductor mare suplimentar (sau două) și un condensator care formează un circuit oscilator.

⇡ Circuit secundar

Circuitul secundar este tot ceea ce vine după înfășurarea secundară a transformatorului. În majoritatea surselor de alimentare moderne, transformatorul are două înfășurări: dintr-una dintre ele este îndepărtată tensiunea de 12 V, din cealaltă - 5 V. Curentul este mai întâi redresat folosind un ansamblu de două diode Schottky - una sau mai multe pe magistrală ( pe magistrala cea mai mare încărcată - 12 V - în surse de alimentare puternice există patru ansambluri). Mai eficiente din punct de vedere al eficienței sunt redresoarele sincrone, care folosesc tranzistori cu efect de câmp în loc de diode. Dar aceasta este apanajul surselor de alimentare cu adevărat avansate și scumpe care revendică certificatul 80 PLUS Platinum.

Șina de 3,3 V este de obicei condusă din aceeași înfășurare ca șina de 5 V, doar tensiunea este redusă folosind un inductor saturabil (Mag Amp). O înfășurare specială pe un transformator pentru o tensiune de 3,3 V este o opțiune exotică. Dintre tensiunile negative din standardul actual ATX, rămâne doar -12 V, care este îndepărtat din înfășurarea secundară sub magistrala de 12 V prin diode separate de curent scăzut.

Controlul PWM al cheii convertorului modifică tensiunea pe înfășurarea primară a transformatorului și, prin urmare, pe toate înfășurările secundare simultan. În același timp, consumul de curent al computerului nu este în niciun caz distribuit uniform între magistralele de alimentare. În hardware-ul modern, magistrala cea mai încărcată este 12-V.

Pentru a stabiliza separat tensiunile pe diferite magistrale, sunt necesare măsuri suplimentare. Metoda clasică presupune folosirea unui sufoc de stabilizare a grupului. Trei magistrale principale sunt trecute prin înfășurările sale și, ca urmare, dacă curentul crește pe o magistrală, tensiunea scade pe celelalte. Să presupunem că curentul pe magistrala de 12 V a crescut și, pentru a preveni căderea de tensiune, controlerul PWM a redus ciclul de lucru al tranzistoarelor cheie. Ca urmare, tensiunea de pe magistrala de 5 V ar putea depăși limitele admise, dar a fost suprimată de șocul de stabilizare a grupului.

Tensiunea de pe magistrala de 3,3 V este reglată suplimentar de un alt inductor saturabil.

O versiune mai avansată asigură stabilizarea separată a magistralelor de 5 și 12 V datorită șocurilor saturabile, dar acum acest design a făcut loc convertoarelor DC-DC în surse de alimentare scumpe de înaltă calitate. În acest din urmă caz, transformatorul are un singur înfăşurare secundară cu o tensiune de 12 V, iar tensiuni de 5 V și 3,3 V se obțin datorită convertoarelor DC-DC. Această metodă este cea mai favorabilă pentru stabilitatea tensiunii.

Filtru de ieșire

Etapa finală pe fiecare magistrală este un filtru care netezește ondulația de tensiune cauzată de tranzistoarele cheie. În plus, pulsațiile redresorului de intrare, a cărui frecvență este egală cu dublul frecvenței rețelei de alimentare, pătrund într-un grad sau altul în circuitul secundar al sursei de alimentare.

Filtrul de ondulare include un șoc și condensatori capacitate mare. Sursele de alimentare de înaltă calitate se caracterizează printr-o capacitate de cel puțin 2.000 uF, dar producătorii de modele ieftine au rezerve pentru economii atunci când instalează condensatori, de exemplu, de jumătate din valoarea nominală, ceea ce afectează inevitabil amplitudinea ondulației.

⇡ Putere de așteptare +5VSB

O descriere a componentelor sursei de alimentare ar fi incompletă fără menționarea sursei de tensiune standby de 5 V, care face posibil modul de repaus al PC-ului și asigură funcționarea tuturor dispozitivelor care trebuie pornite în orice moment. „Camera de serviciu” este alimentată de un convertor separat de impulsuri cu un transformator de putere redusă. În unele surse de alimentare există și un al treilea transformator folosit în circuit feedback pentru a izola controlerul PWM de circuitul primar al convertorului principal. În alte cazuri, această funcție este realizată de optocuplere (un LED și un fototranzistor într-un singur pachet).

⇡ Metodologia de testare a surselor de alimentare

Unul dintre principalii parametri ai sursei de alimentare este stabilitatea tensiunii, care se reflectă în așa-numitul. caracteristica de sarcină încrucișată. KNH este o diagramă în care curentul sau puterea de pe magistrala de 12 V este reprezentată pe o axă, iar curentul sau puterea totală de pe magistralele de 3,3 și 5 V este reprezentată pe cealaltă la punctele de intersecție sensuri diferite Ambele variabile determină abaterea tensiunii de la valoarea nominală pe o anumită magistrală. În consecință, publicăm două KNH-uri diferite - pentru magistrala de 12 V și pentru magistrala de 5/3,3 V.

Culoarea punctului indică procentul de abatere:

• verde: ≤ 1%;
• verde deschis: ≤ 2%;
• galben: ≤ 3%;
• portocaliu: ≤ 4%;
• roșu: ≤ 5%.
• alb: > 5% (nu este permis de standardul ATX).

Pentru a obține KNH, se folosește un banc de testare a sursei de alimentare personalizat, care creează o sarcină prin disiparea căldurii pe tranzistoare puternice cu efect de câmp.

Un alt test la fel de important este determinarea amplitudinii ondulației la ieșirea sursei de alimentare. Standardul ATX permite ondularea în intervalul de 120 mV pentru magistrala de 12 V și 50 mV pentru magistrala de 5 V Se face distincție între ondularea de înaltă frecvență (la frecvența dublă a comutatorului principal) și frecvența joasă (la dublul de frecvență). frecvența rețelei de alimentare).

Măsurăm acest parametru utilizând un osciloscop USB Hantek DSO-6022BE la sarcina maximă a sursei de alimentare specificată de specificații. În oscilograma de mai jos, graficul verde corespunde magistralei de 12 V, graficul galben îi corespunde 5 V. Se poate observa că ondulațiile sunt în limite normale, și chiar cu o marjă.

Pentru comparație, prezentăm o imagine a ondulațiilor la ieșirea sursei de alimentare a unui computer vechi. Acest bloc nu a fost grozav de la început, dar cu siguranță nu s-a îmbunătățit în timp. Judecând după mărimea ondulației de joasă frecvență (rețineți că diviziunea de baleiaj a tensiunii este crescută la 50 mV pentru a se potrivi cu oscilațiile de pe ecran), condensatorul de netezire de la intrare a devenit deja inutilizabil. Ondularea de înaltă frecvență pe magistrala de 5 V este în pragul valorii admisibile de 50 mV.

Următorul test determină eficiența unității la o sarcină de la 10 la 100% din puterea nominală(prin compararea puterii de ieșire cu puterea de intrare măsurată cu ajutorul unui wattmetru de uz casnic). Pentru comparație, graficul arată criteriile pentru diferitele categorii 80 PLUS. Cu toate acestea, acest lucru nu provoacă prea mult interes în zilele noastre. Graficul arată rezultatele sursei de alimentare Corsair de top în comparație cu Antec-ul foarte ieftin, iar diferența nu este atât de mare.

O problemă mai presantă pentru utilizator este zgomotul de la ventilatorul încorporat. Este imposibil să o măsuram direct aproape de standul de testare a sursei de alimentare, așa că măsuram viteza de rotație a rotorului cu un tahometru laser - tot la putere de la 10 la 100%. Graficul de mai jos arată că atunci când sarcina de pe această sursă de alimentare este scăzută, ventilatorul de 135 mm rămâne la viteză mică și nu se aude deloc. La sarcina maximă zgomotul poate fi deja deslușit, dar nivelul este încă destul de acceptabil.

Utilizarea ineficientă a energiei electrice, interferența în rețeaua electrică cauzată de dispozitivele conectate sunt probleme care sunt abordate în întreaga lume.

În decembrie 2010, Europa a început să funcționeze conform noului standard EN 61000-3-12. Standard nou definește standarde pentru componentele de curent armonic generate de echipamentele conectate la sisteme de joasă tensiune uz public, cu un curent nominal mai mare de 16 A și mai mic de 75 A într-o fază. Scopul acestui standard este de a preveni conectarea la rețeaua electrică a dispozitivelor care pot crea interferențe pe linie, adică. oferi compatibilitate electromagnetică dispozitive la punct accesul publiculuiși creșterea eficienței consumului de energie electrică.

Utilizarea blocurilor PFC (Power Factor Corrector) sau a surselor de corectare a factorului de putere KM este una dintre ele solutii eficiente probleme de consum eficient de energie și respectă standardul EN 61000-3-12.

Să luăm în considerare funcționarea consumatorilor de energie electrică cu și fără bloc PFC.

Factorul de putere Km al unei surse este definit ca raportul dintre puterea activă și puterea aparentă. Valoarea maximă a factorului de putere este 1, aceasta este o opțiune ideală atunci când toată puterea consumată este folosită pentru a produce muncă utilă fără pierderi. Factorul de putere este utilizat pentru a evalua eficiența consumului de energie electrică (cu cât este mai mare factorul, cu atât este mai mare eficiența), pentru a calcula rețeaua de alimentare (cablare) și pentru a calcula dispozitivele de putere.

În timpul funcționării, toate sursele fără o unitate de corectare a factorului de putere PFC consumă curent de la sursa de alimentare în impulsuri scurte (Fig. 1).

În consecință, valorile actuale de consum sunt destul de mari. De exemplu, surse de alimentare cu o sarcină de 200 W, curentul mediu va fi de 1 A și curent de impuls va fi de 4 ori mai mare. Dacă sursa are sarcină grea, atunci curenții de consum vor fi foarte mari, în consecință sarcina pe rețeaua de alimentare va crește semnificativ și va trebui să plătiți mai mult pentru electricitate.

Factorul de putere Km al surselor fără bloc PFC este de aproximativ 0,7, adică doar 70% din energie este consumată de sursa de alimentare pentru a produce muncă utilă, iar 30% creează doar sarcină suplimentară în rețea.

Forma curentului consumat de sursa cu blocul PFC nu este practic diferita de forma tensiunii de alimentare (Fig. 2), factor de putere Km in în acest caz, va ajunge la valori de 0,95-0,98, adică se va folosi atâta energie electrică din rețea cât este necesar pentru munca utilă.

Valorile consumului de curent cu și fără blocuri PFC sunt prezentate în Fig. 3.

După cum putem vedea, eficiența utilizării corectoarelor factorului de putere (PFC) este foarte mare. Corectorii stabilizează curentul consumat, reduc valoarea acestuia, reduc în consecință consumul de energie și măresc eficiența surselor. Corectorii sunt folosiți pe scară largă în dispozitivele electronice, în special în tehnologia computerelor. Utilizarea acestor dispozitive în echipamentele de sudare, ca unul dintre principalii consumatori de energie electrică în producție, permite reducerea semnificativă a costurilor asociate cu consumul de energie electrică și creșterea eficienței producției.

Pentru a crește eficiența de funcționare a echipamentelor produse și a conformității echipamentelor de sudare cu standardul european EN 61000-3-12, compania

Tehnologia de conversie

Introducere

În ultimele decenii, numărul de electronice utilizate în case, birouri și fabrici a crescut dramatic, iar majoritatea dispozitivelor folosesc surse de alimentare comutatoare. Astfel de surse generează distorsiuni de curent armonice și neliniare, care afectează negativ cablajul electric și aparatele electrice conectate la acesta. Această influență este exprimată nu numai în diferite tipuri interferență, afectând funcționarea dispozitivelor sensibile, dar și în supraîncălzirea liniei neutre. Când curenții curg în sarcini cu componente armonice semnificative care sunt defazate cu tensiunea, curentul în firul neutru (care, cu o sarcină simetrică, este practic egal cu zero) poate crește la o valoare critică.

Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) și Organizația Europeană pentru Standardizare Electrotehnică (CENELEC) au adoptat standardele IEC555 și EN60555, care stabilesc limite ale conținutului de armonici în curentul de intrare al surselor de alimentare secundare, sarcinilor electronice. lămpi fluorescente, drivere de motor DC și dispozitive similare.

Unul dintre moduri eficiente Soluția la această problemă este utilizarea corectoarelor de factor de putere PFC (Power Factor Correction). În practică, aceasta înseamnă că circuitul de intrare a aproape orice dispozitiv electronic Cu convertoare de impulsuri este necesar să se includă un circuit PFC special care asigură reducerea sau suprimarea completă a armonicilor de curent.

Corecția factorului de putere

O sursă de alimentare cu comutație tipică constă dintr-un redresor de rețea, un condensator de netezire și un convertor de tensiune. O astfel de sursă consumă energie numai în acele momente în care tensiunea furnizată de la redresor la condensatorul de netezire este mai mare decât tensiunea pe ea (condensatorul), care apare pentru aproximativ un sfert din perioadă. În restul timpului, sursa nu consumă energie din rețea, deoarece sarcina este alimentată de un condensator. Aceasta duce la faptul că puterea este preluată de sarcină numai la vârful tensiunii, curentul consumat are forma unui impuls scurt și conține un set de componente armonice (vezi Fig. 1).

O sursă de alimentare secundară cu corecție a factorului de putere consumă curent cu distorsiuni armonice scăzute, preia puterea de la rețea mai uniform și are un factor de creastă (raportul dintre valoarea amplitudinii curentului și valoarea sa efectivă) mai mic decât cel al unei surse necorectate. . Corecția factorului de putere reduce consumul de curent RMS, permițând conectarea mai multă energie la o singură priză. diferite dispozitive fără a crea supracurenți în el (vezi fig. 2).

Factorul de putere

Factor de putere PF este un parametru care caracterizează distorsiunea creată de sarcină (în cazul nostru, sursa secundară de alimentare) în rețeaua de curent alternativ. Există două tipuri de distorsiuni - armonice și neliniare. Distorsiunea armonică este cauzată de o sarcină reactivă și reprezintă o schimbare de fază între curent și tensiune. Distorsiunile neliniare sunt introduse în rețea de sarcini „neliniare”. Aceste distorsiuni sunt exprimate în abaterea formei de undă de curent sau tensiune de la o sinusoidă. În cazul în care distorsiuni armonice Factorul de putere este cosinusul diferenței de fază dintre curent și tensiune sau raportul dintre puterea activă și puterea totală consumată din rețea. Pentru distorsiuni neliniare Factorul de putere este egal cu ponderea puterii primei componente de curent armonic în puterea totală consumată de dispozitiv. Poate fi considerat un indicator al modului în care dispozitivul consumă energie de la rețea.

În general factorul de putere este produsul dintre cosinusul unghiului diferenței de fază dintre tensiune și curent și cosinusul unghiului dintre vectorul armonic fundamental și vectorul curent aparent. Raționamentul prezentat mai jos conduce la această definiție. Curentul efectiv care curge în sarcina activă are forma:

I 2 eff =I 2 0 +I 2 1eff +SI 2 neff,

unde I 2 neff este componenta constantă (în cazul tensiunii sinusoidale este zero), I 2 1eff este armonica principală, iar sub semnul sumei se află armonicile inferioare. Când lucrați cu o sarcină reactivă, o componentă reactivă apare în această expresie și ia forma:

I 2 eff =I 2 0 +(I 2 1eff(P) +I 2 1eff(Q))+SI 2 neff. Putere activă- aceasta este valoarea medie a puterii alocate sarcinii active pe perioada.

Poate fi reprezentat ca un produs tensiune efectivă la componenta activă a curentului P=U eff Ch I 1eff(P). Din punct de vedere fizic, aceasta este energia eliberată sub formă de căldură pe unitatea de timp prin rezistența activă. Puterea reactivă este înțeleasă ca produsul dintre tensiunea efectivă și componenta reactivă a curentului: Q = U eff H I 1 eff (Q). Semnificația fizică este energia care este pompată de două ori pe perioadă de la generator la sarcină și de două ori de la sarcină la generator. Puterea totală este produsul dintre tensiunea efectivă și curentul efectiv total: S=U eff H I eff(total). Pe plan complex poate fi reprezentat ca suma vectorilor P și Q, din care este vizibilă dependența I 2 =I 1eff(total) cos j, unde j este unghiul dintre vectorii P și Q, care caracterizează și diferența de fază dintre curent și tensiune din circuit.

Pe baza celor de mai sus, derivăm definiția pentru factorul de putere:

PF=P/S=(I 1eff cos j)/(Ieff(total)).

Este de remarcat faptul că raportul (I 1eff)/(Ieff(total)) este cosinusul unghiului dintre vectorii corespunzător valorii efective curent totalși valoarea efectivă a primei sale armonice. Dacă notăm acest unghi cu q, atunci expresia factorului de putere ia forma: PF=cos j Х cos q. Sarcina corectării factorului de putere este de a aduce unghiul diferenței de fază j între tensiune și curent, precum și unghiul de distorsiune armonică q al curentului consumat, mai aproape de zero (sau, cu alte cuvinte, de a aduce forma curbei curentului). cât mai aproape de o sinusoidă și să compenseze pe cât posibil defazajul).

Factorul de putere este exprimat ca zecimal, a cărei valoare se află în intervalul de la 0 la 1. Valoarea sa ideală este unitatea (pentru comparație, o sursă de alimentare cu comutație tipică fără corecție are o valoare a factorului de putere de aproximativ 0,65), 0,95 este o valoare bună; 0,9 - satisfăcător; 0,8 - nesatisfăcător. Aplicarea corecției factorului de putere poate crește factorul de putere al dispozitivului de la 0,65 la 0,95. Valorile în intervalul 0,97...0,99 sunt, de asemenea, destul de realiste. În cazul ideal, când factorul de putere este unitar, dispozitivul atrage curent sinusoidal din rețea cu defazaj zero față de tensiune (corespunzător unei sarcini complet rezistive cu o caracteristică curent-tensiune liniară).

Corecție pasivă a factorului de putere

Metoda de corecție pasivă este folosită cel mai adesea în dispozitivele ieftine de putere redusă (unde nu există cerințe stricte pentru intensitatea armonicilor de curent mai scăzute). Corecția pasivă vă permite să obțineți un factor de putere de aproximativ 0,9. Acest lucru este convenabil în cazul în care sursa de alimentare a fost deja proiectată, tot ce rămâne este să creați un filtru adecvat și să îl includeți în circuitul de la intrare.

Corecția pasivă a factorului de putere constă în filtrarea consumului de curent folosind un filtru trece-bandă LC. Această metodă are mai multe limitări. Un filtru LC poate fi eficient ca corector al factorului de putere numai dacă tensiunea, frecvența și sarcina variază într-un interval restrâns de valori. Deoarece filtrul trebuie să funcționeze în regiunea de frecvență joasă (50/60 Hz), componentele sale sunt mari ca dimensiune, greutate și factor de calitate scăzut(ceea ce nu este întotdeauna acceptabil). În primul rând, numărul componentelor cu abordare pasivă este mult mai mic și, prin urmare, timpul dintre defecțiuni este mai mare, iar în al doilea rând, cu corecția pasivă, se creează mai puține interferențe electromagnetice și de contact decât cu cea activă.

Corecția factorului de putere activă

O corecție activă a factorului de putere trebuie să îndeplinească trei condiții:

1) Forma curentului consumat trebuie să fie cât mai apropiată de sinusoidală și „în fază” cu tensiunea. Valoarea instantanee a curentului consumat de la sursa trebuie sa fie proportionala cu tensiunea instantanee a retelei.

2) Puterea preluată de la sursă trebuie să rămână constantă chiar dacă tensiunea rețelei se modifică. Aceasta înseamnă că atunci când tensiunea rețelei scade, curentul de sarcină trebuie crescut și invers.

3) Tensiunea la ieșirea corectorului PFC nu ar trebui să depindă de dimensiunea sarcinii. Pe măsură ce tensiunea pe sarcină scade, curentul prin aceasta trebuie să crească și invers.

Există mai multe scheme care pot fi utilizate pentru a implementa corecția factorului de putere activă. Cel mai popular în prezent este „circuitul convertizorului boost”. Acest circuit satisface toate cerințele pentru sursele de alimentare moderne. În primul rând, vă permite să lucrați în rețele cu sensuri diferite tensiune de alimentare (de la 85 la 270 V) fără restricții și orice ajustări suplimentare. În al doilea rând, ea este mai puțin susceptibilă la abateri parametrii electrici rețele (supratensiuni sau întreruperi de scurtă durată). Un alt avantaj al acestei scheme este că este mai mult implementare simplă protectie la supratensiune. O diagramă simplificată a unui „convertor boost” este prezentată în Fig. 3.

Principiul de funcționare

Corectorul de factor de putere standard este un convertor AD/DC cu modulație de lățime a impulsurilor (PWM). Modulatorul controlează un comutator de mare putere (de obicei MOSFET) care convertește DC sau redresat tensiunea de rețeaîntr-o succesiune de impulsuri, după rectificarea cărora se obține o tensiune constantă la ieșire.

Diagramele de timp ale funcționării corectorului sunt prezentate în Fig. 4. Când comutatorul MOSFET este pornit, curentul din inductor crește liniar - în timp ce dioda este blocată, iar condensatorul C2 este descărcat la sarcină. Apoi, când tranzistorul este oprit, tensiunea pe inductor „deschide” dioda, iar energia stocată în inductor încarcă condensatorul C2 (și alimentează simultan sarcina). În circuitul de mai sus (spre deosebire de o sursă fără corecție), condensatorul C1 are o capacitate mică și servește la filtrarea interferențelor de înaltă frecvență. Frecvența de conversie este de 50...100 kHz. În cel mai simplu caz, circuitul funcționează cu un ciclu de lucru constant. Există modalități de a crește eficiența corecției prin modificarea dinamică a ciclului de lucru (potrivirea ciclului cu anvelopa de tensiune de la redresorul de la rețea).

Circuitul „boost converter” poate funcționa în trei moduri: continuu , discretși așa-numitul „ modul critic de conductivitate" ÎN discret modul, în fiecare perioadă curentul inductorului reușește să „scădeze” la zero și după un timp începe să crească din nou, iar în continuu- curentul, neavând timp să ajungă la zero, începe din nou să crească. Modul conductivitate critică utilizate mai rar decât precedentele două. Este mai greu de implementat. Semnificația sa este că MOSFET-ul se deschide în momentul în care ajunge la curentul inductorului valoare zero. Când funcționează în acest mod, reglarea tensiunii de ieșire este simplificată.

Alegerea modului depinde de puterea de ieșire necesară a sursei de alimentare. Dispozitivele cu o putere mai mare de 400 W folosesc modul continuu, în timp ce dispozitivele cu putere redusă folosesc modul discret. Corecția activă a factorului de putere vă permite să obțineți valori de 0,97...0,99 cu un coeficient THD (Total Harmonic Distorsion) de 0,04...0,08.

Salutare prieteni! Aprofundarea în specificatii tehnice componente, puteți vedea opțiunea PFC din sursa de alimentare, ce este, de ce este nevoie și cum funcționează, vă voi spune în publicația de astăzi. Să mergem.

Să ne amintim de cursul de fizică de la școală

Cei care au studiat bine fizica la școală își amintesc că puterea poate fi activă sau reactivă. Puterea activă este puterea care efectuează muncă utilă– face ca un fier de călcat să se încălzească, o lampă incandescentă să strălucească sau alimentează componentele PC-ului.

ÎN circuite reactive Puterea curentului poate rămâne în urma tensiunii sau poate duce la aceasta, care este determinată de parametrul cos φ (cosinus Phi). Cu o sarcină inductivă, curentul rămâne în urma tensiunii (sarcină inductivă) sau o conduce (sarcină capacitivă).

Acesta din urmă se găsește adesea în complex scheme electrice unde sunt utilizați condensatori, inclusiv în sursele de alimentare ale computerelor.

Putere reactivă nu efectuează nicio sarcină utilă, „rătăcind” prin circuitele electrice și încălzindu-le. Din acest motiv este prevăzută o secțiune transversală de rezervă a firelor. Cu cât cos φ este mai mare, cu atât mai multă energie va fi disipată în circuit sub formă de căldură.

Puterea reactivă a sursei de alimentare a computerului

Deoarece sursele de alimentare ale computerelor folosesc de obicei condensatoare de mare capacitate, componenta reactivă într-un astfel de circuit este vizibilă. Din fericire, nu este luat în calcul de contorul de energie electrică de uz casnic, astfel încât utilizatorul nu va trebui să plătească în exces pentru electricitate.

Valoarea cos φ pentru astfel de dispozitive ajunge de obicei la 0,7. Aceasta înseamnă că rezerva de putere a cablajului trebuie să fie de cel puțin 30%. Dar, deoarece curentul trece prin circuitul de alimentare în impulsuri scurte cu amplitudine variabilă, acest lucru reduce durata de viață a condensatoarelor și diodelor.

Dacă acestea din urmă nu au o rezervă în ceea ce privește puterea curentului și sunt selectate „back to back” (cum este adesea cazul surselor de alimentare ieftine), durata de viață a unui astfel de dispozitiv este redusă.

Pentru a combate aceste fenomene reactive, se folosește un corector de factor de putere, adică PFC.

Ce este tipul PFC

Există două tipuri de dispozitive cu un modul de corecție a factorului de putere:

• Cu pasiv - un șoc inclus în circuitul dintre condensatori și redresor;
• Cu activ – o sursă suplimentară de alimentare comutată pentru a crește tensiunea.

Inductorul este un dispozitiv cu o rezistență complexă, a cărui natură este simetric opusă reactivității condensatoarelor. Acest lucru face posibilă, într-o oarecare măsură, compensarea factorilor negativi, dar cos φ crește ușor.

În plus, tensiunea de intrare a blocului principal de stabilizatori este parțial stabilizată.

PFC activ, adică un circuit activ (APFC), poate crește acest parametru la 0,95, adică îl face aproape de ideal. O astfel de sursă de alimentare este mai puțin susceptibilă la „scăderi” de curent pe termen scurt, permițându-i să funcționeze la încărcarea condensatoarelor, ceea ce este un avantaj incontestabil.

Trebuie avut în vedere că astfel caracteristici de proiectare afectează prețul dispozitivului.

Astăzi la vânzare găsiți surse de alimentare în format ATX, atât cu corectare a factorului de putere, cât și fără PFC. Dacă PFC este necesar sau nu, ar trebui decis în funcție de utilizarea specifică a computerului. De exemplu, pe un computer de gaming prezența sa este de dorit, dar deloc necesară.

Aș dori să vă atrag atenția asupra următorului punct. Printre altele, PFC reduce nivelul de zgomot de înaltă frecvență pe liniile de ieșire. O astfel de sursă de alimentare este recomandată pentru utilizare împreună cu dispozitive periferice pentru procesarea semnalelor video și audio analogice - de exemplu, într-un studio de înregistrare.

Dar chiar dacă ești un amator obișnuit care conectează o chitară electrică la un computer cu Guitar Rig instalat, se recomandă să folosești o sursă de alimentare cu corecție a factorului de putere.

Dacă cauți selecție uriașă dispozitive similare, te poți uita în asta magazin online doar o recomand. De asemenea, vă sfătuiesc să citiți cum. Veți găsi informații despre certificate.