Введение

Как работает блок питания? Почему важно выбирать достаточно мощную и эффективную модель? В нашей статье мы подробно рассмотрим вопросы эффективности, надёжности, характеристик БП, а также поясним, как купить наиболее качественную модель блока питания за свои деньги.

В данной статье мы нацелимся на пользователей, кто обладает ограниченными сведениями о блоках питания для ПК, но кто желает получше узнать об их характеристиках, технологии и терминологии.

Но не переживайте, наша статья не будет сложной или скучной. Мы вкратце рассмотрим, как работает импульсный блок питания, а также приведём примеры, иллюстрирующие наиболее распространённые технические проблемы. Мы объясним, что означает эффективность, потери и реактивная мощность, а также почему они важны для пользователя. Затем мы рассмотрим возможные и, что более важно, необходимые защитные меры, после чего применим наши теоретические сведения на практике.

В качестве практического примера мы рассмотрим три разных ПК для трёх сфер использования, рассчитаем необходимую мощность, после чего определим, какой класс БП для них более предпочтителен как по качеству, так и с учётом долгосрочного использования.

Хитрости с частотой

Читателям, наверное, интересно, какое отношение большой ламповый радиоприёмник имеет к современным импульсным блокам питания? Но причина появления этой аналогии не сам радиоприёмник в деревянном корпусе, а крупные и громоздкие трансформаторы.

Эти элементы из отдалённого прошлого обладают физическими характеристиками, которые заложили основу современных импульсных блоков питания. Для преобразования напряжений из высоких в низкие значения или для разделения электрического тока блоки питания раньше использовали простые высокопроизводительные трансформаторы с сердечником из железных пластин. Частота 50 Гц требует очень крупного трансформатора, но так называемые выходные трансформаторы, которые передают высокие и низкие частоты между 100 Гц и 16 кГц, могут быть намного меньше при прежней мощности. Чем сильнее частотная характеристика будет урезана снизу, тем более мощным можно сделать трансформатор при сохранении прежних размеров. Подобное преимущество привело к появлению новых дизайнов схем в разных областях; и физические характеристики сыграли свою роль в разработке как высокопроизводительных трубок-разрядников, так и полупроводниковых приборов позднее.

Какое отношение это имеет к компьютеру?

Обычный трансформатор уже не может справляться с преобразованием напряжения электрической сети в низкие напряжения, необходимые ПК, с требуемым уровнем мощности. Подобный трансформатор просто был бы слишком крупным и тяжёлым. Поэтому пришлось прибегнуть к описанному выше трюку с частотами и так называемым импульсным блокам питания. Их задача заключается в эффективном обеспечении требуемыми уровнями напряжения и тока, а также в стабильной поддержке этих значений. Аналоговые (линейные) решения становятся уже невозможными, поэтому приходиться опираться на специальные схемы, превращающие ток в импульсы с высокой частотой, что позволяет получать высокую мощность и от маленьких трансформаторов. Собственно, так и появилось название «импульсный блок питания». Чуть ниже мы подробнее остановимся на принципе работы этих устройств. Опять же, в этом нет ничего сложного, всё просто и понятно.

Как работает импульсный блок питания?

В работе импульсного блока питания можно выделить несколько этапов. Сначала на входе производится фильтрация напряжения электрической сети. Блок питания фильтрует пики напряжения, гармоники и различные помехи электрической сети. На втором этапе переменное напряжение выпрямляется и выравнивается. Получившиеся примерно 350 В затем «нарезаются» схемой транзисторов, в результате получаются прямоугольные импульсы напряжения с частотой от 35 до 50 кГц. Для трансформации подобного напряжения можно использовать компактные трансформаторы, которые как раз и присутствуют в современных импульсных блоках питания.

Системе требуются разные напряжения 3,3, 5 и 12 В, поэтому у простых блоков питания может использоваться одна выходная обмотка с отводами для напряжений с разным количеством витков, или отдельные обмотки для каждого напряжения. У топовых блоков питания используются даже отдельные трансформаторы для разных напряжений. Затем, после трансформации, напряжение вновь выпрямляется и выравнивается. При этом важно то, чтобы напряжение оставалось на постоянном уровне, включая режимы с низкой или полной нагрузкой, отклонения больше 5% от спецификации недопустимы. В блоки питания для этого встраивается специальный контур регулирования. Кроме того, блоки питания всегда отслеживают потребляемую энергию, чтобы не допускать пробоя напряжения.

Конечно, при покупке автомобиля вы сразу же спрашиваете о потреблении бензина на 100 км. И в случае блока питания точно так же возникает вопрос эффективности. Об эффективности пользователи заботятся редко, что часто приводит к ненужной потере ресурсов, а, следовательно, и денег. Ниже мы рассмотрим основные принципы эффективности.

Эффективность имеет значение!

Очень много заблуждений касается связи мощности, потребляемой блоком питания от электрической сети, и мощности, которую блок питания подаёт на компоненты компьютера. Отношение полезной мощности (ПК) к затраченной (электрическая сеть) как раз и является эффективностью или КПД блока питания. Чем меньше блок питания будет потреблять энергии от электрической сети для данного уровня мощности, тем он более эффективен. Обратите внимание, что для блоков питания заявляется полезная мощность. То есть 500-Вт блок питания с эффективностью 75% не потребляет 500 Вт от сети, выдавая 375 Вт на компоненты, компьютера, как считают многие. Такой блок питания предоставляет 500 Вт для компонентов ПК, потребляя при данной нагрузке 666 Вт от электрической сети. Сформулируем вопрос более корректно: сколько энергии потребляет компьютер от электрической сети для работы на определённом уровне?

Пример вычислений

Предположим, что компьютер оснащён 600-Вт блоком питания с эффективностью 80%. Если следовать приведённым выше расчётам, то 600 Вт/ 0,80 = 750 Вт. То есть такой блок питания потребляет около 750 Вт от электрической сети при работе с полной нагрузкой. Разница в 150 Вт является потерей и рассеивается из блока питания в виде тепла.

Нет ничего постоянного

Но технология вносит свои препятствия в наши вычисления. Компьютер может работать с несколькими уровнями энергопотребления; он потребляет меньше энергии в режиме бездействия, чем при работе с офисными приложениями, а при пиковой нагрузке (интенсивные вычисления, 3D-графика) энергопотребление становится ещё больше. Поэтому какой-то постоянный уровень энергопотребления определить сложно. Чаще всего уровень энергопотребления измеряют в двух состояниях: в режиме бездействия и под пиковой нагрузкой. Давайте посмотрим на уже упомянутый выше блок питания на 600 Вт с разными нагрузками.

Всё казалось простым и понятным, но картина усложняется. Если посмотреть на кривую, то самая высокая эффективность достигается при уровне 50% от возможной суммарной нагрузки. Конечно, в таком случае наиболее эффективным будет блок питания с мощностью в два раза выше, чем требуется на самом деле. Но не следует забывать об энергопотреблении в режиме бездействия. А здесь как раз у современных импульсных блоков питания и возникают серьёзные ограничения. Ниже нагрузки 20% эффективность быстро снижается меньше уровня 60%, 50%, иногда даже ещё ниже. И никуда от этого не деться, что выглядит ещё более обидно с учётом появления большого количества «зелёных» комплектующих на рынке. Высокопроизводительный ПК с мощной видеокартой может потреблять около 65 Вт в режиме бездействия, но под нагрузкой энергопотребление может увеличиться до 500 Вт. Блок питания не следует перегружать, но и недогружать его тоже не стоит.

Пример вычислений

Наш ПК с 600-Вт блоком питания потребляет 65 Вт в режиме бездействия. Выразим в процентах от общей нагрузки: (100 процентов / 600 Вт) * 65 Вт = 10,83%.

Если посмотреть на график выше, то сразу же возникают проблемы. Давайте рассчитаем потребляемую от сети энергию, учитывая эффективность 68% на графике.

65 Вт / 0,68 = 95,6 Вт

Система в режиме бездействия требует всего 65 Вт, но блок питания потребляет от сети почти 100 Вт, то есть около 30 Вт теряется в виде тепла. Учтите, что мы брали для расчётов наиболее эффективный из двух БП на графике выше. Как вы наверняка догадываетесь, абстрактный дешёвый БП может приводить к существенной потере денег на счёте за электроэнергию, причём даже в режиме бездействия. И этот график как нельзя лучше иллюстрирует пословицу «скупой платит дважды».

Коэффициент мощности, активная и реактивная мощность

Не переживайте, за учебники физики садиться не придётся. В данном разделе мы рассмотрим функции, которые отличают качественные продукты от утиля. Вооружившись нашими знаниями, вы вряд ли купите плохой блок питания. Но давайте по порядку.

Реактивный ток и реактивная мощность

Проблема, которая существенно сказывается на производительности и эффективности блоков питания, заключается в реактивном (блуждающем) токе, вызванном индуктивностью. Реактивный ток «блуждает» между производителями и потребителями энергии туда-обратно как теннисный мячик между ракетками, никакой пользы потребителю он не приносит. Реактивную мощность нужно существенно снижать (в лучшем случае её вообще быть не должно), чтобы она не приводила к потере энергии на сопротивлении, которая будет выделяться в виде тепла. Подобная бесполезная энергия должна уменьшаться практически до нуля внутренними цепями импульсных блоков питания.

Активная и полная мощность

Активная мощность противоположна реактивной в том, что она отражает реальное энергопотребление. Полная мощность представляет собой сумму активной и реактивной мощностей.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности указывает на соотношение между активной и полной мощностью, то есть он составляет от 0 до 1, в идеальном случае 1. При покупке блока питания следует выбирать модель с самым высоким коэффициентом мощности. Данный коэффициент является прекрасным индикатором качества внутренних электрических цепей БП.

На заметку
Active PFC
Active Power Factor Correction (PFC) означает активную коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощность является важной характеристикой для блока питания, поскольку он отражает соотношение между активной и полной мощностями. Преимущества Идеальной мощно считать активную мощность около 99% Высокая эффективность (при низких нагрузках уже меньше) Очень стабильная подача питания Меньшее энергопотребление Меньшее тепловыделение Меньший вес из-за конструкции «без железа». Недостатки Стоит дороже Большая вероятность выхода из строя
Passive PFC
С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности реактивные токи можно снижать, используя крупные катушки индуктивности. Подобный способ проще и дешевле, но он не самый эффективный. Преимущества Стоит дешевле Отсутствие электромагнитных помех Недостатки Требуется лучшее охлаждение Не подходит для высоких нагрузок Высокое энергопотребление (потери энергии) Нужны катушки эффективности Низкая активная мощность (примерно от 70% до 80%) Низкая эффективность энергопотребления (от 40% до 70%)

Блоки питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности устарели, подобная система указывает на дешёвый и некачественный блок питания.

Как распознать эффективный блок питания?

Важным индикатором эффективности блока питания является его соответствие стандартам Energy-Star 5.0 и 80 PLUS. Последний касается, главным образом, внутренних блоков питания. Наконец, не мешает проверить соответствие стандартам CE и ErP. Но давайте по порядку.

Блоки питания 80 PLUS имеют более высокую эффективность

Данные спецификации и стандарты указывают на блоки питания с высокой эффективностью, которая встречается как раз у более качественных моделей. Если блок питания полностью соответствует требованиям спецификации, он прошёл необходимую сертификацию, то производитель может украсить модель логотипом 80 PLUS. Мы хотели бы упомянуть, что условия стрессового тестирования 80 PLUS не соответствуют напрямую спецификации ATX, при этом они выполняются в условиях американских электрических сетей питания, работающих с меньшим напряжением. В условиях России и Европы, с сетями 230 В, эффективность блоков питания 80 PLUS часто оказывается чуть выше, чем в США.

80 PLUS: Platinum, Gold, Silver, Bronze

Оригинальная концепция 80 PLUS была позднее доработана, и сегодня она включает сертификацию Bronze, Silver, Gold и Platinum, которые последовательно соответствуют более высоким уровням эффективности. Блоки питания, сертифицированные «80 PLUS Gold» или «80 PLUS Platinum» дают очень высокую эффективность, но часто стоят заметно дороже обычных моделей из-за дополнительных схем и элементов питания. В следующей таблице приведены значения эффективности для различных нагрузок. Блоки питания должны соответствовать приведённым значениям, чтобы получить соответствующий сертификат.

Пару слов об энергопотреблении в режиме ожидания

Блоки питания, продаваемые в странах Евросоюза, должны удовлетворять сертификации ErP. Это означает, что в режиме ожидания блок питания должен потреблять меньше 1 Вт. Если это не так, то блоку питания наверняка исполнилось больше года. Данный стандарт касается только Евросоюза, он не обязателен в России или США, но всё же лучше воздержаться от покупки моделей, которые ему не соответствуют, поскольку с 2010 года производители соблюдают стандарт в своих блоках питания. Впрочем, если вы не уверены в отсутствии совместимости, то лучше опустить этот критерий.

Какие линии напряжения важны для ПК?

Мы достигли очень важной характеристики, а именно того, какую мощность дают блоки питания по разным линиям. Современные ПК потребляют большую часть энергии по линии 12 В. Два других напряжения (3,3 В и 5 В) нельзя назвать несущественными, но их роль за последние годы значительно снизилась. Как правило, если блок питания соответствует требованиям по линии 12 В, то он будет достаточен и для других линий. Но вот обратное уже не совсем верно. Позвольте сравнить две наклейки блоков питания.

Разница очевидна. Второй ПК тоже заявлен как модель на 550 Вт, но по двум 12-В линиям он может давать мощность всего 380 Вт. При этом эта мощность достигается только в том случае, если другие линии не используются. Сегодня никому не требуется мощность 315 Вт по линиям 3,3 и 5 В. Поэтому данный блок питания, способный давать около 350 Вт по линии 12 В, вряд ли подойдёт для современного игрового ПК. Он хорош для рекламы высокой мощности, но энтузиастам лучше держаться от таких моделей подальше.

Цена против экономии энергии

Конечно, качество всегда обходится дороже, но иногда нет смысла переплачивать за наиболее дорогие решения. Чуть ниже в нашей статье мы рассмотрим некоторые продукты и их цены, определим наилучшие блоки питания за свои деньги. Результаты оказались действительно любопытными. Но перед тем как мы перейдём к практическому выбору, позвольте поговорить о надёжности и тестах безопасности.

Китайские фейерверки

Подобное шуточное описание дешёвых блоков питания следует воспринимать серьёзно. Многие модели, продающиеся по бросовым ценам, оказываются огнеопасными в буквальном смысле. Кроме того, подобный блок питания может прихватить с собой и другое «железо».

Какие способы защиты используются в современных блоках питания?

В следующей таблице мы привели сокращения наиболее часто использующихся механизмов защиты блоков питания. При покупке блока питания следует удостовериться в присутствии всех упомянутых механизмов защиты. Иначе выгодная покупка может привести к серьёзным последствиям.

Не менее важно и то, чтобы в блоке питания присутствовал так называемый цифровой чип защиты. К сожалению, на рынке можно встретить продукты, продающиеся с заявленной защитой от короткого замыкания и перегрева, которые на деле являются «фейерверками» с предохранителями. Конечно, они продаются на грани легальности (если их можно вообще назвать легальными), но технически они представляют собой самые дешёвые поделки с наклеенными красивыми этикетками.

К чему приводит жадность

Ниже приведены два примера того, что может случиться в случае сгорания дешёвого блока питания. Даже если у вас под рукой всегда есть огнетушитель, мы бы не рекомендовали соглашаться на подобные эксперименты.

После двух приведённых фотографий мы переходим от теории к практике. Мы рассмотрим различные сценарии использования компьютеров.

Сколько мощности вам нужно?

Многие системы на рынке имеют общую «болезнь»: блоки питания для них подбираются исходя из максимальной требуемой мощности, затем она берётся для расчёта в точке максимальной эффективности с нагрузкой 50-55%, что приводит к избыточно мощному блоку питания. Такой подход вряд ли можно назвать хорошим, поскольку энергопотребление в режиме бездействия будет существенно более высоким. В следующей таблице приведено примерное описание требуемой энергии для различных компонентов. Значения указаны приблизительные, их всегда можно заменить на спецификации конкретных продуктов.

Теперь, когда мы знаем энергопотребление разных компонентов, несложно рассчитать примерное энергопотребление системы в режиме бездействия и под нагрузкой. Ниже мы определим оптимальный диапазон мощности для каждого сценария и проанализируем характеристики разных блоков питания, чтобы выбрать лучшую модель.

Диапазон потребляемой мощности

Мы будем рассматривать три пользовательских сценария. Сегодня существует немало способов снизить энергопотребление в режиме бездействия. Особенно это касается высокопроизводительных систем, то есть их диапазон энергопотребления оказывается намного шире, от минимума в режиме бездействия до экстремальных уровней под нагрузкой.

Наши диапазоны потребляемой мощности помогут лучше определить нужды каждого пользователя. Мы рассмотрим четыре разных блока питания с мощностью 500-525 Вт: стандартный недорогой блок питания (фиолетовый), блок питания 80 PLUS (синий), модель 80 PLUS Bronze (оранжевый) и модель 80 PLUS Gold (жёлтый). Результаты оказались весьма интересными.

Офисный ПК. Узкий диапазон мощности. Даже 300-Вт блока питания будет вполне достаточно. Ни один из блоков питания не даёт хорошей эффективности в режиме бездействия.

ПК среднего уровня. Более широкий диапазон мощности. Но даже для него блок питания должен быть правильно подобран.

High-end компьютер. У него наблюдается самый широкий диапазон мощности.

Важно понимать, что нельзя решить все проблемы одним махом, просто купив эффективный блок питания на 500 Вт. Лучше использовать продуманный подход, имея на руках точную оценку потребляемой мощности. При покупке БП она окажется не менее важной, чем качество и эффективность. Только в сочетании всех упомянутых факторов вы получите наиболее оптимальный блок питания.

Пример 1: офисный ПК

Ниже приведены основные характеристики нашего офисного компьютера.

Измерение энергопотребления

Energy Logger 4000 (Conrad Electronic)

• Долгосрочные измерения
• Мониторинг
• Измерение энергопотребления до 1,2 кВт

А теперь давайте попробуем найти подходящий блок питания для этого компьютера. К сожалению, мы так и не смогли протестировать популярный Huntkey Jumper 300W 80 PLUS Gold. Вместо него мы предлагаем результаты Super Flower 450 W Golden Green. Данная модель слишком мощная для данного сегмента, но варианта лучше у нас не было.

Результаты энергопотребления

Ниже приведены результаты энергопотребления при использовании трёх блоков питания. Как видим, разброс оказался весьма существенным.

Режим бездействия.

Средняя нагрузка.

Пиковая нагрузка.

Разница меняется от 19 Вт в режиме бездействия до 11 Вт при средней нагрузке Windows, а при полной пиковой нагрузке мы получаем разницу 14 Вт. Кривая эффективности дешёвого блока Hardwaremania24 (розничная сеть в Германии) сглаживается, что указывает на старый добрый 250-Вт блок питания с новой этикеткой. Если вы будете питать от такого блока питания систему мощностью 300 Вт, то лучше держать под рукой огнетушитель.

Разница между двумя победителями не так существенна, как разброс по ценам. Блок питания Rasurbo, с другой стороны, лучше оснащён по кабелям по сравнению с моделью Be Quiet, да и запас по мощности у него чуть выше. Проигрыш старой модели ATX для нас не стал сюрпризом. Но блок питания LC-Power в два раза дороже показал себя не сильно лучше, поэтому вряд ли стоит его брать. Для офисного ПК лучше всего подойдут блоки питания с разумной мощностью и сертификацией 80 PLUS. Несмотря на сертификацию 80 PLUS Gold, 450-Вт модель Super Flower не даёт каких-либо дополнительных преимуществ по энергопотреблению за исключением пикового энергопотребления, блок питания просто не подходит для диапазона мощности нашей офисной системы. Впрочем, данный блок питания при нашей нагрузке не включал вентилятор и работал полностью бесшумно. Так что если бесшумный ПК для вас является приоритетным, то более дорогая модель себя оправдывает.

Пример 2: игровой ПК среднего уровня

Ниже приведены основные характеристики нашего игрового компьютера среднего уровня.

Мы выбрали следующие блоки питания

Результаты энергопотребления

Позвольте привести тестовые результаты, при получении которых мы столкнулись с двумя проблемами. Впрочем, их можно было предсказать. Не забывайте о том, что у дешёвых блоков питания существует значительная разница между реальными возможностями модели и тем, что написано на упаковке.

Режим бездействия.

Средняя нагрузка.

Пиковая нагрузка.

Блок питания Rasurbo вновь показал лидирующие позиции в режиме бездействия, но Super Flower вышел вперёд по среднему энергопотреблению. Впрочем, разница между этими моделями не так и значительна. Блок питания Enermax показал неплохо, хотя цена у него более высокая; да и под нагрузкой он работал громче, чем модель Super Flower. Блок питания Rasurbo вплотную подобрался к пределу своей мощности, о чём можно было судить по снижению эффективности и громкой работе вентилятора. Для долговременного использования этот блок питания всё же слабоват, хотя если взять более эффективную видеокарту, например, Radeon HD 6850, то и Rasurbo будет вполне достаточно. Для двух оставшихся блоков питания нам пришлось использовать переходники питания на PCIe. 350-Вт блок питания от LC-Power «умер» при нагрузке 253 Вт с громким шипением и клубами дыма. По соображениям безопасности мы не стали нагружать блок питания Hardwaremania24 до предела, поскольку почувствовали запах перегретых деталей уже во время запуска Google Earth. Мы сразу же выключили систему. У этого блока питания даже нет каких-либо механизмов защиты за исключением одного предохранителя.

Пример 3: система для энтузиастов

Ниже приведены основные характеристики нашего high-end игрового компьютера.

Мы протестировали следующие модели блоков питания

Результаты энергопотребления

На этот раз никаких непредвиденных сюрпризов не произошло. Мы увеличили спектр производительности и выбрали по одному блоку питания из каждой ценовой категории.

Режим бездействия.

Средняя нагрузка.

Пиковая нагрузка.

Блок питания Super Flower оставался вполне стабильным даже на максимальной нагрузке; впечатление такое, что мы работали с 500-Вт блоком питания. Мы нагрузили его по максимуму, но система работала. Блок питания Corsair показал себя не так хорошо в режиме бездействия, но значительно улучшил свои показатели под нагрузкой. Блок питания Enermax не показал ни сильных, ни слабых сторон, он обеспечивал стабильную производительность на высоком уровне с приятно низким уровнем шума. Блок питания Corsair тоже работает очень тихо, при этом он обеспечивает приличный запас по мощности. Конечно, этот блок питания и стоит прилично. Блок питания Raptoxx оказался недорогим и вполне приличным, если вы сможете смириться с его уровнем шума. Вместе с тем меньшая эффективность приведёт к большим затратам на электроэнергию в течение продолжительного срока эксплуатации.

Заключение

Хотелось бы сделать поделиться несколькими наблюдениями и дать несколько советов.

• Планирование и подбор блока питания с разумным уровнем мощности более оправдан, чем установка чрезмерно мощной модели с высокой эффективностью.
• Покупка чрезмерно мощной модели является неэффективной, разве что вам требуются резервы по мощности в будущем.
• Недорогие блоки питания 80 PLUS Gold и Bronze станут хорошей покупкой, если вам требуется широкий диапазон мощности.
• Никогда не стоит слепо доверять значению мощности в ваттах, указанному на упаковке блока питания. Считайте сами и включайте логику.
• Избегайте самых дешёвых блоков питания; вы не купите приличный 500-Вт блок питания дешевле $50.

Если вы не будете следовать нашим советам, то купите огнетушитель!