Блок питания история развития кратко

Обновлено: 02.07.2024

В данной статье в кратком изложении дается история развития импульсных источников питания. Анализируются особенности построения импульсных источников питания по мере их развития: структуры блоков питания, схемотехнические решения, компонентная электронная база, конструктивно-технологические решения. Обращается внимание на общие закономерности и подводятся итоги развития импульсных источников питания начиная с 1950 года. Подчеркивается, что постоянное улучшение параметров блоков питания в части массо-габаритных показателей, экономичности и надежности есть результат их исторического развития. Это стало возможно, в основном, благодаря применению в импульсных источниках питания более совершенных изделий электронной техники. Сформулированы выводы о тенденциях развития импульсных источников питания.

Для анализа состояния импульсных ИВЭ и прогноза на будущее целесообразно предварительно кратко ознакомиться с историей их развития.

Основные этапы развития импульсных источников питания

Рассмотрим вкратце эволюцию импульсных ИВЭ с момента их зарождения. При описании основных этапов развития импульсных источников основное внимание будет уделено эволюции отечественных ИВЭ, свидетелями и участниками которой были и авторы настоящей статьи. Кроме того, при изложении материала более подробно будут рассмотрены основные этапы развития AС/DС-преобразователей. Это связано с тем, что преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DС/DС) — это составная часть AС/DС, а последние, в свою очередь, являются составной частью более сложных систем и источников электропитания, например источников гарантированного или бесперебойного питания. Для общности изложения оценку и приводимые примеры будем в большей степени соотносить с основной массой серийно выпускаемых (не заказных) AС/DС-преобразователей коммерческого и/или промышленного назначения с питанием от сети переменного тока напряжением ~220/230 В частоты 50/60 Гц. Сделав такое краткое введение, переходим к изложению основных этапов эволюции импульсных ИВЭ.

По информации авторов, упоминания о некоторых видах импульсных ИВЭ (переключательных источниках питания, или Switch Mode Power Supplies — SMPS), относятся к 1940-м годам [1]. В то время, в частности, в маломощных источниках с электропитанием от гальванических батарей и аккумуляторов в качестве ключей использовался электромагнитный прерыватель-вибратор. На его основе создавались вибрационные преобразователи (ВБ) [2]. ВБ работали от аккумуляторов (напряжением до 24 В на мощность до 250 Вт) и от сети переменного тока (на мощность до 750 Вт). Чаще всего вибраторы изготавливались на частоту 100 Гц, но иногда и на повышенную частоту (200-400 Гц). По своей структуре ВБ представляли собой ключевые преобразователи или инверторы, предназначенные для получения более высокого напряжения постоянного или переменного тока. Естественно, их массо-габаритные показатели и надежность были низкие. В то время радиоэлектронная аппаратура (РЭА), включая электронно-вычислительные машины (ЭВМ), была выполнена на электронных лампах. Аппаратура на лампах требовала для своего электропитания источники с напряжением в сотни вольт, но при сравнительно небольших токах (десятки миллиампер, иногда единицы ампер). В 1950-х годах в источниках питания повышенной и большой мощности с успехом использовались регуляторы и преобразователи на тиратронах, которые работали уже на повышенной частоте: сотни герц — единицы килогерц. Тиратрон — трехэлектродный управляемый ионный прибор дугового разряда с положительной пусковой характеристикой. В качестве диодов использовались селеновые и электровакуумные (кенотроны) выпрямители. В этом случае КПД, массо-габаритные показатели и надежность также не были высокими.

Развитие импульсных источников питания в 1950-1960 гг.

Наиболее распространенные в этот период мощные германиевые PNP-транзисторы по технологии изготовления были сплавными. По параметрам они были низковольтными (максимальное постоянное напряжение коллектор — эмиттер UCE0 = -45.. .-60 В) и низкочастотными (граничная частота в схеме с общей базой, ОБ, — не более100-150 кГц). Величина максимального коллекторного тока LС составляла 5-15 А. Поэтому, кроме линейных стабилизаторов, они в основном использовались в понижающих импульсных (ключевых) стабилизаторах напряжения (КСН) и в преобразователях от сети 12-27 В. Из отечественных транзисторов того времени укажем германиевые низкочастотные РЫР-транзисторы типа П210, П216, П217, а также кремниевые транзисторы типа П302-П304 на напряжение 40-80 В и ток до 0,4 А [4]. Хотя эти транзисторы были универсальными, предназначенными в том числе и для использования в переключающих устройствах, тем не менее, в справочных данных не приводились значения параметров их быстродействия. Поэтому разработчику приходилось самому экспериментально определять параметры быстродействия этих транзисторов.

Развязка от сетевого переменного напряжения ~115 В / ~220 (230) В частоты 50 (60, 400, 1000) Гц производилась с помощью низкочастотного сетевого трансформатора с последующим низковольтным выпрямителем (выпрямителями). Частота коммутации силового транзистора в первоначально составляла 3-5 кГц. Импульсные стабилизаторы выполнялись как релейного типа, так и по схеме с ШИМ или частотным управлением. В схемах управления использовались маломощные дискретные транзисторы и диоды, а также импульсные трансформаторы. На подвижных объектах специального назначения (например, в авиации и на флоте) для первичного электропитания применялось также сетевое напряжение ~115 В / ~220 (230) В повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяло значительно улучшить удельные массо-габаритные показатели источников питания.

Для случая блоков питания большой мощности в регулируемых выпрямителях и инверторах в качестве силовых ключей ранее использовался тиратрон [5]. Потом стали применять вначале магнитные усилители, а затем тиристоры, которые могли коммутировать напряжения в сотни вольт и токи в единицы -десятки ампер и более. Это, конечно, было шагом вперед и позволяло создавать импульсные блоки питания с современной структурой: сетевой выпрямитель — инвертор — низковольтный выпрямитель. Основные недостатки преобразователей на тиристорах — это низкая частота переключения (не более единиц килогерц), сложная схема управления, из-за проблем с запиранием при работе в звене постоянного тока, а также влияние (возрастание) электромагнитных помех (ЭМП) на устойчивость работы всего комплекса РЭА.

Другим важным преимуществом магнитного усилителя является гальваническая развязка цепи управления, усилителя обратной связи, от силового, сетевого ключа, так как обмотка (обмотки) управления полностью автономны. В то же время управляющие обмотки одновременно магнитно связаны с двумя сердечниками, на которых намотаны силовые обмотки, работающие каждая в своем полупериоде сети (например, в двухтактном МУ).


Большой вклад в создание импульсных ИВЭ на основе магнитных усилителей, а также систем электропривода внесли известные отечественные специалисты по средствам электропитания: А. И. Гинзбург, М. А. Розенблат, В. И. Лапиров-Скобло, Р. Х. Бальян, Б. Н. Иван-чук, Л. А. Краус, Ж. А. Мкртчян, К. Б. Мазель, Н. П. Васильева, Т. Х. Стефанович и др.

Что касается внедрения тиристорных устройств в РЭА ВПК и в приборы общепромышленного силового электротехнического оборудования, то можно увидеть, что на Западе тиристоры применялись очень широко уже в 1959-1962 гг. [14]. В СССР это направление техники нашло широкое распространение в 1966-1970 гг. Как видно, запаздывание в применении тиристоров, по сравнению с освоением МУ, получается значительно больше — примерно на 3-4 года. В принципе отставание было как по времени начала эксплуатации блоков на тиристорах, так и в широте номенклатуры, а главное — в параметрах и в качестве тиристоров. Прежде всего, у отечественных тиристоров средней мощности был значительно больший (в 3-5 раз) ток управления, большее падение напряжения на открытом тиристоре и более низкое быстродействие. Некоторым утешением для нас служит относительно ранние разработки мощных тиристоров на токи 50-200 А для электротехнической промышленности с 1965 года, которые разрабатывались и производились в ВЭИ им. Ленина, в МНИЭИ, на заводах в Саранске, Таллине и др. Причем в 1971 году мощные высокочастотные тиристоры типа ТЧ на токи 50-150 А со временем обратного восстановления ≈ 25 мкс успешно конкурировали с зарубежными тиристорами и поставлялись на экспорт.

Для иллюстрации приведем пример типовых применений тиристоров. В 1969 году одним из авторов вместе с А. И. Гинзбургом был разработан регулируемый тиристорный выпрямитель, входящий в систему стабилизации тока импульсного генератора СВЧ [16]. Схема регулируемого тиристорного выпрямителя представлена на рис. 2.


Наконец, можно описать работу схемы устранения подмагничивания трансформатора в рассматриваемом тиристорном регуляторе. Для выявления сигнала о несимметричном перемагничивании сердечника силового трансформатора в цепи его вторичной обмотки установлен трансформатор тока Тр3, который повторяет форму тока, протекающего в контуре между обмоткой W2 трансформатора Тр1 и выходным силовым выпрямителем. Вторичные обмотки трансформатора Тр3 через выпрямитель нагружены на резистор, напряжение с которого через развязывающий резистор подается на вход делителя напряжения на резисторах Р1, Р2, подключенного к сигналу обратной связи Uупр. Как показано на схеме, этот корректирующий сигнал суммируется с током от сигнала Uупр на резисторе Р1 таким образом, чтобы устранять несимметричный режим перемагничивания трансформатора Тр1. Следует подчеркнуть, что коррекция угла (α) отпирания тиристоров происходит только в интервале времени, когда тиристоры выключены. Это объясняется тем, что питание узла оптимального управления тиристоров и схемы ФСУ появляется только на этапе формирования угла регулирования α. Так как, когда тиристоры открыты, первичная обмотка трансформатора питания схемы управления Тр2 закорочена напряжением насыщения анод-катод силовых тиристоров.

Отметим еще одну особенность рассмотренной схемы. В цепи формирования импульса управления тиристорами включен маломощный тиристор Ти3, который рассчитан на допустимое напряжение 150 В. В связи с этим последовательно с напряжением анод-катод тиристоров, которое по форме повторяет сетевое питающее напряжение, встречно включены обмотки (W2, W3) трансформатора Тр2. Таким образом, обеспечивается приемлемый уровень рабочего напряжения тиристора 2У101Е.

В качестве примера использования мощных тиристоров приведем схему силового инвертора с выходной мощностью 4000 Вт, который питался от бортовой сети напряжением 27 В. Речь идет о специальном блоке, который был разработан одним из авторов совместно с группой специалистов, руководимой А. И. Гинзбургом [20]. В этой статье рассматривается один из вариантов системы для заряда емкостного накопителя с регулируемым уровнем энергии, питающейся от аккумуляторной батареи (АБ). В качестве преобразующего устройства в нем использован широтно-регулируе-мый тиристорный инвертор с трансформаторным выходом, так как выходное напряжение много выше первичного напряжения АБ. Применение регулируемого инвертора объяснялось тремя причинами:

  • возможностью изменения величины энергии в накопительном конденсаторе;
  • возможностью внешнего задания частоты разряда накопленной энергии в пределах от 20 до 100 Гц;
  • осуществлением оптимального закона зарядки накопительного конденсатора по критерию — минимум массы и максимум КПД всего устройства в целом (включая и АБ).

Упрощенная схема тиристорного инвертора приведена на рис. 3.


Приведем некоторые технические характеристики этого инвертора. При частоте разряда Сн, равной 100 Гц, при максимальном напряжении 900 В средняя мощность за цикл зарядки ≈ 4500 Вт. В этой мощности учтены средневзвешенный КПД, равный 0,72, а также начальное (остаточное) напряжение на конденсаторе ≈ 100 В. Энергия накопления равна 40 Дж, емкость конденсатора Сн — 100 мкФ. Средний ток потребления от АБ — около 200 А. В инверторе использованы тиристоры типа ТЧ-150 на 200 В. Параметры запирающего коммутирующего контура: Lк = 2 мкГн, Ск = 40,0 мкФ — набор из конденсаторов типа МБГЧ на 250 В. Дроссель фильтра Lф = 8 мГн.

Заключение

    1. При зарождении импульсных ИВЭ в 1940-1950 гг. сложно было даже представить, что через 40-50 лет импульсные ИВЭ будут так широко распространены и будут обладать очень высокими характеристиками, близкими к предельно возможным. В этой связи интересно рассмотреть хронологию их развития:

    — Середина 1950-х гг. Это время характерно заменой в РЭА электронных ламп на полупроводниковые транзисторы и диоды, что повлекло за собой качественное изменение номенклатуры источников питания. В частности, потребовалась разработка источников питания с низким выходным напряжением (до 12-60 В), но на большие токи (единицы — десятки ампер). Эта задача решалась при использовании трансформаторных источников питания, во вторичных цепях которых использовались импульсные стабилизаторы напряжения (КСН). В них в качестве силовых ключей применялись в основном мощные германиевые сплавные РЫР-транзисторы, которые по параметрам были низкочастотными и низковольтными (UСЕ0 = -45…-60 В). В связи с этим частота коммутации силового транзистора составляла 3-5 кГц.

    — В период 1959-1965 гг. в мощных (150-400 Вт и более) ИВЭ стали широко использоваться КСН и регуляторы в сетях переменного тока, выполненные на магнитных ключевых элементах, которые могли коммутировать напряжения в десятки — сотни вольт итоки вединицы — десятки ампер. Эти блоки питания бортового применения имели удельные массо-габаритные характеристики Рv порядка 25-40 Вт/дм 3 .

    — Начиная с 1956 года энергично развивалось новое направление в силовой электронике, основанное на использовании четырехслойных полупроводниковых ключевых приборов различного назначения. На Западе тиристоры широко применялись уже в 1959-1962 гг. В СССР первые публикации появились в 1962 году, но только в 1966-1970 гг. это направление техники нашло широкое применение. Именно с этого времени развитие в Советском Союзе полупроводниковой техники и электроники начинает заметно отставать (на 4-5 лет и более).

    Компьютерные блоки питания довольно неординарная тема для данной рубрики. В отличие от остального железа, историю компьютерных питателей никто никогда не отслеживал, ибо вид этот эволюционировал довольно медленно, не принципиально и особого интереса не представлял. Однако сегодня, оглянувшись назад на эволюцию компьютерных БП, можно отметить множество интересных деталей.

    Предки

    Какими были блоки питания первых компьютеров, история умалчивает, однако можно с уверенностью сказать, что они представляли собой целые подстанции, ведь чтобы прокормить лампового монстра размером со здание, нужно море энергии. Для получения требуемых напряжений использовались огромные трансформаторы с сердечником из стальных пластин и медными обмотками. Эти устройства были простыми и надежными, но имели один недостаток: чтобы получить выходное напряжение 12 вольт и мощность 300 ватт, нужен трансформатор 10-15 килограммов весом. Для линии 3.3 В придется добавить трансформатор весом еще в 5 кг.

    Трансформатор весит немало.

    Первый стандарт

    Первые унифицированные блоки питания (потомки которых стоят сегодня в наших компьютерах), получившие широкое распространение, появились вместе с первым компьютером IBM-PC на основе процессора 8086 в 1976 году. Данные БП имели совершенно различный внешний вид, каждый производитель делал корпуса блоков по-своему, в зависимости от конструкции кузова компьютера. Часто доходило до того, что блок питания был собран не на единой печатной плате, а состоял из нескольких модулей, размещенных в одном большом корпусе, для чего это делалось, до сих пор не ясно, возможно, из каких-то соображений безопасности. Однако о начинке этого не скажешь.

    Идея импульсного блока питания заключается в том, что мы преобразуем ток не в том виде, в каком он поступает из сети (в обычном трансформаторе первичная обмотка рассчитана на сетевое переменное напряжение), а сперва выпрямляем его, преобразуем при помощи генератора в высокочастотные прямоугольные импульсы и после этого подаем на трансформаторы. Чем выше частота импульсов, тем ниже требования к габаритам сердечника, который может быть выполнен уже не из стали, а из ферромагнитных сплавов. Напряжение на первичной обмотке трансформатора используется для обратной связи с генератором импульсов, благодаря чему блок питания может поддерживать стабильное выходное напряжение. Импульсные блоки питания обладают сравнительно маленьким весом и габаритами, высоким КПД, могут выдавать большую пиковую мощность, но в их преимуществах кроются их недостатки: они не могут работать без нагрузки и не имеют гальванической развязки с сетью, из-за чего в случае выхода силовых элементов из строя на компоненты ПК поступит очень высокое напряжение и они сгорят.

    Блок питания IBM PC/XT.

    Чуть позже, с выходом 286 процессора и платформы АТ (Advanced Technology) в 1984 году и ее модификации Baby AT – в 1995, появилась новая модификация блоков питания с соответствующим названием, которая имела незначительные схематические изменения, не позволявшие, тем не менее, подключать блоки питания от XT к AT, несмотря на их полную механическую совместимость. Данная модификация компьютерных питателей оставалась неизменной очень долго, вплоть до внедрения блоков питания нового стандарта ATX.

    Блоки нового поколения были разработаны как замена устаревшему стандарту AT в 1995 году, тем не менее, окончательное вытеснение AT произошло лишь в конце 90-х. Многие производители долго не прекращали производство плат AT/ATX, которые можно было подключать как к старым, так и к новым блокам питания.

    Колодки питания AT.

    Это Китай

    Блок питания стандарта Baby AT.

    Такие блоки работали около полугода, после чего сгорали, унося с собой в могилу большую часть компьютера. Это происходило из-за установки недостаточно мощных силовых элементов, которые в силу экономии на радиаторах были вынуждены работать в предельных режимах, быстро изнашивались и выходили из строя. Остальная начинка компа гибла в связи с отсутствием какой-либо защиты.

    Китайский БП во всей красе – фильтры отсутствуют
    как класс :)

    Нередко встречались блоки, в которых отсутствовала схема генерации сигнала POWER-OK, а на соответствующий контакт было просто заведено 5 вольт.

    Разъем дополнительного питания CPU.

    Тссссс!

    Примерно во время появления формата ATX в хороших фирменных блоках питания стали появляться и различные дополнительные модули, перечислим основные.

    Блок питания с широколопастным
    тихим вентилятором.

    Технология сниженного шума. Так как домашние компьютеры получали все большее распространение, проблема шума охлаждающих систем компьютера стала актуальна как никогда. Поэтому многие крупные производители начали устанавливать в свои блоки питания специальные блоки, которые регулировали частоту вращения вентилятора в зависимости от температуры внутри блока. Таким образом, в спокойном режиме работы, при низкой загрузке процессора снижалась температура активных элементов в блоке и вентилятор начинал крутиться медленнее, компьютер работал тихо.

    Технология PFC

    Модульный блок питания Thermaltake.

    Самый дешевый и распространенный метод коррекции называется пассивным PFC. Это просто последовательно подключенный к БП дроссель, который способствует некоторому сглаживанию импульсов, впрочем, особо большого эффекта от применения такого PFC нет – при использовании дросселя фактор мощности вырастает весьма незначительно: на 0.04-0.07 единиц.

    Активная версия PFC представляет собой довольно сложный узел питальника. Активная коррекция хорошо стабилизирует напряжение, что улучшает конечные характеристики блока. При использовании Active PFC форма тока практически полностью соответствует обычной резистивной нагрузке. При этом коэффициент мощности блока может доходить до 0.99. Однако эта цифра сильно зависит от текущей нагрузки питальника. При минимальной нагрузке эффект применения активной коррекции практически сходит на нет, становясь сравнимым с блоком, имеющим обычный пассивный PFC.

    Стоит отметить, что покупка блока питания с системой Active PFC может повлечь за собой замену ИБП. Дело в том, что многие блоки, имеющие в своем составе Active PFC, плохо работают с дешевыми источниками бесперебойного питания. Это связанно с формой тока на выходе ИБП.

    Расширенный АТХ

    Nesteq Nova 600W External Silent PSU.

    Несколько позже вышел SATA, и в питальниках начали появляться разъемы питания этого стандарта. Примерно во время перехода с платформы Socket 478 на LGA мы вновь увидели прибавку в кабельном ассортименте блоков питания: на этот раз потолстел сам ATX-коннектор. К основному разъему добавился дополнительный, на 4 контакта, содержащий линии 3.3, 12, 5 вольт и GND. Также были добавлены коннекторы 12 вольт для питания видеокарт. В современных игровых системах видеокарты – первые и основные потребители энергии. И мощности все растут…

    Игры с охлаждением

    Тихий и красивый Yesico FL-550.

    Многие производители в погоне за снижением шумовых характеристик своих блоков избрали другой путь. Вместо стандартных вентиляторов в блоки начали устанавливать тихоходные вентили с большими лопастями. Таким образом, шум резко падал, а эффективность охлаждения оставалась на прежнем уровне.

    Уже сейчас очевидно, что нарастание мощностей неизбежно. Киловаттным блоком сегодня уже никого не удивишь. Остается надеяться, что в будущем нам не придется вместе с витухой тянуть к компу отдельную проводку, как к сварочному аппарату. В свете текущего пути развития процессоров в сторону многоядерности не за горами тот день, когда киловатный блок питания станет нормальным явлением, а ведь процессоры видеокарт тоже могут быть многоядерными…



    Без Intel внутри: на рентгене видны компоненты импульсного блока питания, использованного в оригинальном микрокомпьютере Apple II, вышедшем в 1977 году

    Компьютерным блокам питания не уделяется должного внимания.

    Как энтузиаст технологий, вы наверняка знаете, какой у вашего компьютера микропроцессор и сколько у него физической памяти, однако есть вероятность, что вам ничего не известно о его блоке питания. Не тушуйтесь – даже производители разрабатывают БП в последнюю очередь.

    А жаль, поскольку на создание БП для персональных компьютеров ушло довольно много сил, и это было серьёзное улучшение по сравнению с теми схемами, что питали другую потребительскую электронику вплоть до конца 1970-х. Этот прорыв стал возможен благодаря огромным скачкам в полупроводниковой технологии, сделанным полвека назад, в частности, улучшениям в импульсных стабилизаторах напряжения и инновациям в интегральных схемах. Но при этом данная революция прошла мимо внимания общественности, и даже неизвестна многим людям, знакомым с историей микрокомпьютеров.

    В мире БП не обошлось без выдающихся чемпионов, включая и личность, упоминание которой может вас удивить: Стива Джобса. Согласно его авторизованному биографу, Уолтеру Айзексону, Джобс очень серьёзно относился к БП передового персонального компьютера Apple II и его разработчику, Роду Холту. Джобс, как утверждает Айзексон, заявлял следующее:

    Это серьёзное заявление показалось мне не слишком достоверным, и я провёл своё расследование. Я обнаружил, что, хотя ИБП и были революционными, эта революция произошла в конце 1960-х и середине 1970-х, когда ИБП приняли эстафету у простых, но неэффективных линейных БП. Apple II, появившийся в 1977, получил преимущества этой революции, но не вызывал её.

    Исправление джобсовской версии событий – не какая-то мелочь из инженерной области. Сегодня ИБП представляют собой повсеместный оплот всего, мы используем их ежедневно для зарядка наших смартфонов, планшетов, ноутбуков, камер и даже некоторых автомобилей. Они питают часы, радио, домашние аудиоусилители, и другую мелкую бытовую технику. Спровоцировавшие эту революцию инженеры заслуживают признания своих заслуг. Да и вообще, это весьма интересная история.

    БП в настольных компьютерах, таких, как Apple II, преобразует переменный линейный ток в постоянный ток, и выдаёт очень стабильное напряжение для питания системы. БП можно сконструировать множеством разных способов, но чаще всего встречаются линейные и импульсные схемы.

    Со всеми бородавками


    Apple превратила зарядник в хитроумное устройство, представила прилизанную зарядку для iPod в 2001 году, внутри которой был компактный обратноходовой преобразователь под управлением интегральных схем (слева на картинке). Вскоре получили широкое распространение USB-зарядки, а ультракомпактный зарядник в виде дюймового куба от Apple, появившись в 2008, стал культовым (справа).

    Самые модные зарядники высокого уровня подобного типа сегодня используют полупроводники на основе нитрида галлия, способные переключаться быстрее кремниевых транзисторов, и потому более эффективные. Развивая технологии в другом направлении, сегодня производители предлагают USB-зарядки уже по цене меньше доллара, хотя и экономя при этом на качестве питания и системах безопасности.

    Типичный линейный БП использует громоздкий трансформатор для преобразования высоковольтного AC в розетке в низковольтный AC, который затем превращается в низковольтный DC при помощи диодов, обычно четырёх штук, подключенных в классическую схему диодного моста. Для сглаживания выходного напряжения диодного моста применяются крупные электролитические конденсаторы. Компьютерные БП используют схему под названием линейный стабилизатор, уменьшающую напряжение DC до нужного уровня и удерживающую его на этом уровне даже при изменениях в нагрузке.

    Линейные БП тривиальны в проектировании и создании. Они используют дешёвые низковольтные полупроводниковые компоненты. Однако у них есть два больших минуса. Один – необходимость в использовании крупных конденсаторов и громоздких трансформаторов, которые никак нельзя запихнуть в нечто столь маленькоё, лёгкое и удобное, как зарядники, которые мы все используем для наших смартфонов и планшетов. Другой – схема линейного стабилизатора, основанная на транзисторах, превращает излишнее напряжение DC – всё, что выше необходимого уровня – в паразитное тепло. Поэтому такие БП обычно теряют более половины потребляемой энергии. И им часто требуются крупные металлические радиаторы или вентиляторы, чтобы избавляться от этого тепла.

    ИБП работает на другом принципе: линейный вход AV превращается в высоковольтный DC, который включается и выключается десятки тысяч раз в секунду. Высокие частоты позволяют использовать гораздо более мелкие и лёгкие трансформаторы и конденсаторы. Особая схема точно управляет переключениями для контроля выходного напряжения. Поскольку таким БП не нужны линейные стабилизаторы, они теряют очень мало энергии: обычно их эффективность достигает 80-90%, и в итоге они гораздо меньше греются.

    Однако ИБП обычно гораздо более сложные, чем линейные, и их сложнее проектировать. Кроме того, они выдвигают больше требований к компонентам, и нуждаются в высоковольтных транзисторах, способных эффективно включаться и выключаться с высокой частотой.

    Должен упомянуть, что некоторые компьютеры использовали БП, не являвшиеся ни линейными, ни импульсными. Одной грубой, но эффективной техникой было запитать мотор от розетки и использовать его для раскрутки генератора, выдававшего необходимое напряжение. Мотор-генераторы использовались несколько десятилетий, по меньшей мере, с момента появления машин от IBM с перфокартами в 1930-х и до 1970-х, питая, среди прочего, суперкомпьютеры Cray.

    Ещё один вариант, популярный с 1950-х и вплоть до 1980-х, использовал феррорезонансные трансформаторы – особый тип трансформаторов, дающих на выходе постоянное напряжение. Также в 1950-х для регулирования напряжения ламповых компьютеров использовался дроссель насыщения, контролируемая катушка индуктивности. В некоторых современных БП для ПК он вновь появился под именем "магнитного усилителя", давая дополнительное регулирование. Но в итоге все эти старые подходы уступили место ИБП.

    Принципы, лежащие в основе ИБП, известны инженерам-электрикам с 1930-х, однако эта технология редко использовалась в эру электронных ламп. В то время в некоторых БП использовались специальные ртутные лампы, тиратроны, и их можно считать примитивными, низкочастотными импульсными стабилизаторами. Среди них — REC-30, питавшая телетайп в 1940-х, а также блок питания компьютера IBM 704 от 1954 года. Но с появлением в 1950-х силовых транзисторов ИБП начали быстро улучшаться. Pioneer Magnetics начала производить ИБП в 1958. General Electric выпустила ранний проект транзисторного ИБП в 1959.

    В 1960-е НАСА и аэрокосмическая индустрия стала основной движущей силой в развитии ИБП, поскольку для аэрокосмических нужд преимущества малого размера и высокой эффективности имели приоритет перед большой стоимостью. К примеру, в 1962-м спутник Telstar (первый спутник, начавший передачу телевидения) и ракета "Минитмен" использовали ИБП. Годы шли, цены пали, и ИБП начали встраивать в потребительскую технику. К примеру, в 1966 Tektronix использовала ИБП в портативном осциллографе, что позволяло ему работать как от розетки, так и от батареек.

    Тенденция ускорялась по мере того, как производители начали продавать ИБП другим компаниям. В 1967 RO Associates представила первый ИБП на 20 КГц, который назвала первым коммерчески успешным примером ИБП. Nippon Electronic Memory Industry Co. начала разработку стандартизованных ИБП в Японии в 1970. К 1972 году большинство производителей БП продавали ИБП или готовились к их выпуску.

    Примерно в это время индустрия компьютеров начала использовать ИБП. Среди ранних примеров – микрокомпьютер PDP-11/20 от Digital Equipment 1969 года, и микрокомпьютер 2100A от Hewlett-Packard 1971 года. В публикации 1971 года заявлялось, что среди компаний, использующих ИБП, отметились все главные игроки рынка: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs и RCA. В 1974 в списке микрокомпьютеров, использующих ИБП, отметились Nova 2/4 от Data General, 960B от Texas Instruments и системы от Interdata. В 1975 ИБП использовались в терминале HP2640A, похожем на пишущую машинку Selectric Composer от IBM, и в портативном компьютере IBM 5100. К 1976 году Data General использовала ИБП в половине своих систем, а HP – в мелких системах типа 9825A Desktop Computer и 9815A Calculator. ИБП начали появляться и в домашних устройствах, например, в некоторых цветных телевизорах к 1973 году.

    Роберт Бошерт, уволившийся с работы и начавший собирать БП у себя на кухне в 1970-м, был ключевым разработчиком этой технологии. Он концентрировался на упрощении схем, чтобы сделать импульсные БП конкурентными по цене с линейными, и к 1974 году уже выпускал недорогие БП для принтеров в промышленных количествах, а потом в 1976 выпустил и недорогие ИБП на 80 Вт. К 1977 Boschert Inc. выросла до компании из 650 человек. Она делала БП для спутников и истребителя Grumman F-14, а позже – компьютерные БП для HP и Sun.

    Появление недорогих высоковольтных высокочастотных транзисторов в конце 1960-х и начале 1970-х, выпускаемых такими компаниями, как Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) и Motorola, помогло вывести ИБП в мейнстрим. Более высокие частоты переключения повышали эффективность, поскольку тепло в таких транзисторах рассеивалось в основном в момент переключения между состояниями, и чем быстрее устройство могло совершать этот переход, тем меньше энергии оно тратило.

    Частоты транзисторов в то время увеличивались скачкообразно. Транзисторная технология развивалась так быстро, что редакторы Electronics World в 1971 могли заявлять, что БП на 500 Вт, представленный на обложке журнала, невозможно было произвести всего на 18 месяцев ранее.

    Ещё один заметный прорыв случился в 1976, когда Роберт Маммано, сооснователь Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для контроля ИБП, разработанную для электронного телетайпа. Его контроллер SG1524 кардинально упростил разработку БП и уменьшил их стоимость, что вызвало всплеск продаж.

    К 1974 году, плюс-минус пару лет, каждому человеку, хотя бы примерно представлявшему себе состояние индустрии электроники, было ясно, что происходит реальная революция в конструкциях БП.



    Лидеры и последователи: Стив Джобс демонстрирует персональный компьютер Apple II в 1981 году. Впервые представленный в 1977, Apple II выиграл от промышленного сдвига от громоздких линейных БП к небольшим и эффективным импульсным. Но Apple II не запустил этот переход, как позже утверждал Джобс.

    Персональный компьютер Apple II представили в 1977. Одной из его особенностью был компактный ИБП без вентилятора, дававший 38 Вт мощности и напряжение в 5, 12, –5, и –12 В. Он использовал простую схему Холта, ИБП с топологией обратноходового офлайнового преобразователя. Джобс заявил, что сегодня каждый компьютер копирует революционную схему Холта. Но была ли эта схема революционной в 1977? И скопировал ли её каждый производитель компьютеров?

    Нет и нет. Похожие обратноходовые преобразователи в то время уже продавали Boschert и другие компании. Холт получил патенты на парочку особенностей своего БП, но их так и не стали широко использовать. А создание управляющей схемы из дискретных компонентов, как сделали для Apple II, оказалось технологическим тупиком. Будущее ИБП принадлежало специализированным интегральным схемам.

    В 1984 году IBM выпустила значительно обновлённую версию ПК, под названием IBM Personal Computer AT. Его БП использовал множество новых схем, полностью отказавшись от обратноходовой топологии. Он быстро стал стандартом де факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила форм-фактор ATX, который, как и другие вещи, определившие БП ATX, по сей день остаётся стандартом.

    Но, несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы питания стали сложнее в 1995 году, когда появился Pentium Pro – микропроцессор, требовавший меньшего напряжения и больших токов, чем БП ATX мог дать напрямую. Для такого питания Intel представил модуль регулирования напряжения (VRM) – импульсный преобразователь DC-DC, устанавливаемый рядом с процессором. Он уменьшал 5 В от БП до 3 В, используемых процессором. В графических картах многих компьютеров тоже есть VRM, питающий установленные в них высокоскоростные графические чипы.

    Сегодня быстрому процессору от VRM может требоваться целых 130 Вт – что гораздо больше, чем полватта мощности, которые использовал процессор Apple II, 6502. Современный процессор в одиночку может использовать в три раза больше мощности, чем целый компьютер Apple II.

    Технология ИБП продолжает развиваться и другими путями. Сегодня, вместо аналоговых схем, многие поставщики используют цифровые чипы и программные алгоритмы, контролирующие выход. Разработка контроллера БП стала как вопросом проектирования железа, так и вопросом программирования. Цифровое управление питанием позволяет поставщикам общаться с остальной системой с большей эффективностью и вести логи. И хотя эти цифровые технологии по большей части используются в серверах, они начинают влиять на разработку настольных ПК.

    Часто повторяемое мнение Джобса о том, что Холта незаслуженно не заметили, привело к тому, что работу Холта описывают в десятках популярных статей и книжек про Apple, от "Реванша нердов" Пола Киотти, появившейся в журнале California в 1982, до биографии Джобса, бестселлера за авторством Айзексона, вышедшего в 2011. Так что весьма иронично, что, хотя его работа над Apple II вовсе не была революционной, Род Холт, вероятно, стал самым известным разработчиком БП всех времён.

    История развития источника питания в радиоэлектронике

    26.11.2013

    Первым изобретателем источников питания стал Алессандро Вольта в 1800 году. Он состоял из сосуда с солёной водой и опущенных в него пластин из разных металлов, в которых создавался постоянный ток. А 30 ноября 1876 года считается датой рождения первого трансформатора. В этот день Яблочков Павел Николаевич получил патент.

    Первым изобретателем источников питания стал Алессандро Вольта в 1800 году. Он состоял из сосуда с солёной водой и опущенных в него пластин из разных металлов, в которых создавался постоянный ток. А 30 ноября 1876 года считается датой рождения первого трансформатора. В этот день Яблочков Павел Николаевич получил патент на это изобретение. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле, впоследствии, получившем название диод. Никола Тесла в 1880 году запатентовал генератор переменного тока. Его системой переменного тока мы пользуемся и сейчас. А в 1905 году член Лондонского королевского общества сэр Джон Амброз Флеминг запатентовал первую электронную лампу. Тем самым открыв век электроники. СС этого момента электроника и источники питания неразлучны.

    Первые изобретатели радио (Сэр Оливер Джозеф Лодж, Попов Александр Степанович, Гульельмо Маркони) использовали для питания своих изобретений источники тока в виде химических элементов. Но, с распространением сети переменного тока, увеличением электронных компонентов и большей сложностью электронных схем, возникла необходимость в блоках питания.

    Таким стал трансформаторный блок питания. Он должен преобразовать напряжение сети (110-220v (вольт) и частотой 50-60 Гц (Герц)) в напряжения постоянного тока, необходимые для работы электронных приборов. Классическая схема такого источника питания состоит из трёх блоков: трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. В более сложных блоках питания, вместо сглаживающего фильтра устанавливается стабилизатор напряжения. До 1950-х годов стабилизаторы строились на электронных лампах. А с изобретением в 1947 году Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном транзистора, и позже с его повсеместным распространением, стабилизаторы делались на них. Трансформаторный блок питания становился компактным. В 1962-1965 годах произошёл прорыв в изготовлении интегральных микросхем. И трансформаторный блок питания становится ещё более компактными и надёжными. Но при увеличении мощности блока питания увеличивается габариты и вес трансформатора. Позже, трансформаторные блоки питания заменили импульсными, которые имеют меньшие габариты при большей мощности.

    Импульсный источник питания выполняет работу такую же, как и трансформаторный, но отличается от последнего тем, что он работает на частоте значительно превышающей частоту электросети (50-60 Гц). Упоминания о первых импульсных источниках питаниях относятся к 1940-м годам. С изобретением и развитием полупроводниковых элементов он становился всё легче и компактнее, что приводит к массовости производства. В период 1970-1980 годов появились транзисторы повышенной мощности. Это позволило увеличить мощность импульсного источника питания до 400 ватт. В 1976 году фирмой Silicon General была изобретена интегральная микросхема специально для средств электропитания. После чего стала бурно развиваться микроэлектроника именно для источников питания.

    Современные источники питания имеют широчайшие диапазоны управления параметрами, микропроцессоры и цифровые технологии обеспечивают минимальную инерционность и высокую точность задаваемых режимов. Более того, в состав блока питания входят управляемые схемы защит, которые оберегают не только источник питания, но и ценную аппаратуру.

    Читайте также: