Так чи потрібен комп’ютера змінний струм

Трохи історії

На зорі енергетики, велися суперечки: яким струмом користуватися в електротехнічної практиці, постійним або змінним?

Знамениті винахідники знаходили (наприклад Н. Тесла і Т. Едісон), для обгрунтування своєї думки, позитивні сторони в застосуванні одного і іншого.

Як у будь-якій боротьбі використовувалися всі методи, аж до фальсифікацій. Але в кінцевому підсумку переміг змінний струм.

І причини не тільки в тому, що двигуни змінного струму простіше, надійніше і мають більш високий ККД.

Головну роль зіграло те, що все більш зростаючі потужності електричної енергії необхідно передавати від джерела енергії (електростанції) на всі великі відстані до кінцевого споживача. А на змінному струмі ця проблема вирішувалася досить просто. Подачею в лінії електропередачі напруги змінного струму високої напруги. Ця напруга за допомогою трансформатора може підвищуватися на стороні джерела енергії, висока напруга передається по лініях електропередачі з меншими струмами ніж це б довелося робити на низькій напрузі, а значить і з меншими втратами. А на стороні споживача таким же трансформатором напруга знижувалося до необхідної споживачеві величини.

З тих пір ми використовуємо в побуті саме змінний струм. І він довго служив нам вірою і правдою, оскільки більшість навантажень було активними або індуктивними.

Але минув час,

громіздких і дорогих трансформаторів в побутовій техніці. Тепер побутові пристрої живляться від невеликих, легких і дешевих електронних блоків живлення. А в них (комп'ютерах, телевізорах, радіоприймачах, плеєрах різного призначення, та й просто зарядник) харчування внутрішніх вузлів або навантажень здійснюється постійним струмом напругою вписується в наступний стандартний ряд: 1,5; 3; 6; 12; 24, 36, 48 (і далі) вольт. Їх застосування дозволило (за рахунок заміни трансформаторної сталі на менший за обсягом і більш легкий феррит) істотно знизити вагу блоків живлення і витрата таких цінних матеріалів як трансформаторна сталь і МЕДЬ. Остання широко застосовується для виготовлення обмотувального дроту трансформаторів, для зниження втрат в них.

Вхідні ланцюги стандартного блоку живлення подібні схемою наведеної на рис. 1.

(Виробники часто змінюють її, але зміни робляться швидше для зниження ціни за рахунок видалення "непотрібних" елементів, ніж з необхідності поліпшити її роботу)

Суть схеми зображеної на рис.1 полягає в тому, що змінна напруга 220 Вольт перетворять в постійне напругою близько 310 Вольт. А вже з нього з допомогу інверторів отримують змінну напругу високої частоти (від 60 КГц і вище), з якого за допомогою феритового трансформатора отримують необхідний набір напруг, який далі за допомогою діодних випрямлячів перетвориться в постійний струм необхідний для живлення електронних вузлів.

Особливості роботи електронного блоку живлення

Як вже говорилося вище, змінна напруга 220 вольт з допомогою напівпровідникового моста - випрямляча перетворюється в постійний струм, який заряджає конденсатор (або конденсатори) запасають енергію необхідну для роботи інвертора в паузах (коли його підживлення від мережі не відбувається). Цей конденсатор є ємнісний навантаженням і створює специфічну реакцію мережі.

На рис.2 показаний характер сталого зміни напруга на накопичувальному конденсаторі електронного блоку живлення з однофазної двонапівперіодною схемою випрямлення.

Тут: T - період проходження мережевої напруги, t зар - час зарядки накопичувального конденсатора, t р - час коли споживачі витрачають запасені накопичувальним конденсатором енергію до подальшої його зарядці через час рівне - T / 2 (для двонапівперіодною схеми випрямляча).

Проміжна зарядка накопичувального конденсатора (рис.2 між двома напівперіодами) проводиться другий (на рис не показана) півхвилею змінної напруги двухполуперіодного випрямляча.

Для зарядки накопичувального конденсатора потрібно (при одній і тій же споживаної потужності) тим більший струм, чим більше співвідношення T / t з. Він зазвичай багаторазово перевищує середній споживаний струм.

Подивимося як це виглядає при роботі декількох комп'ютерів включених в загальну мережу.

Тут: синім кольором показані імпульси струму, що заряджають накопичувальний конденсатор, а червоним характер зміни напруги в мережі. Просідання напруги в момент зарядки обумовлено опором ланцюгів розводки напруги, оскільки вона (мережа) має опір.

Зазвичай мережі розраховується виходячи з середньої потужності споживаних навантаженнями і не враховує багато разів більші імпульсні струми.

Стандартна схема харчування десятка комп'ютерів при середній споживаної потужності близько 250 Вт на комп'ютер, може мати сумарні імпульсні струми в ланцюзі подачі живлення перевищують 50 - 70 А.

Як говорилося вище, це призводить до появи безлічі спецефических проблем, в мережах змінного струму, які описані в статті "Комп'ютер в навантаження".

Ці явні недоліки притаманні не тільки офісах, але домашнім мережам харчування електроніки.

Застосування постійного струму для живлення комп'ютерів і
побутової електроніки це рішення проблеми перевантаження мереж
і впливу навантаження ємнісного характеру

Тому на питання: Так чи потрібен комп'ютера змінний струм?

Зовсім не обов'язково,

комп'ютер та іншу сучасну електроніку можна живити постійним струмом!

Подивіться на рис. 1. напрошується просте рішення - живити комп'ютери та іншу електроніку постійним струмом. навіть не змінюючи схему самого блоку живлення. Для цього необхідно просто подати на блок живлення постійна напруга відповідної полярності та величини.

Застережу від непродуманих кроків!

Як будь-яке рішення, де необхідно враховувати безліч факторів впливають на його роботу, до цієї проблеми необхідно підходити вдумливо, з проведенням макетування, випробування і тестування технічного рішення.

Це не тільки знімає проблему великих імпульсних струмів і спотворення форми напруги мережі живлення, але і дозволяє спростити схему електронних блоків живлення і знизити їх ціну без погіршення характеристик.

Необхідно тільки, щоб інвертор блоку живлення стійко запускався на постійному струмі.

При цьому постійним струмом можна живити звичайні (наявному в масовому використанні) електронні блоки живлення. Для цього необхідно відповідним чином скоригувати напругу живлення і визначити необхідну полярність напруги.

Система живлення комп'ютерів великого офісу постійним струмом

Якщо в офісі більше 10 - 15 комп'ютерів, в такому випадку вже доцільно (можливо навіть підвищення економічної ефективності) застосовувати харчування цих комп'ютерів постійним струмом. Це дозволить знизити струми протікають в мережі до близьких до розрахованим за середньої потужності.

Загальний джерело живлення для такої мережі має невеликі габарити (які визначаються застосовуваної елементної базою), високий ККД (до 95%) може бути побудований на основі шестифазної мостової схеми Ларіонова, яка має вигляд:

Система побудована за такою схемою має коефіцієнт пульсацій до 1,4%, при дотриманні симетрії схеми і симетрії напруги живлення. Найгірше значення коефіцієнта пульсацій, в разі недотримання вимог симетрії, може бути в 2-3 рази гірше.

Дана схема працює без фільтруючих конденсаторів. Застосування дроселя фільтра L знизить коефіцієнт пульсацій до ще менших величин і захистить первинну мережу від перешкод.

До гідності даної схеми можна віднести компенсацію ємнісної складової навантаження.

Тому для наочності наведу дві схеми випливає зі статті і спираються на рис. 1 і 4.

Спрощена схема типового блоку живлення комп'ютера, яку можна порівняти з рис.4 і звернемо свої погляди до рис.6, який практично повністю відповідає рис.5.

У червоній рамці, тут та частина схеми яка може бути видалена з БП. Правда, в більшості випадків, необхідна заміна застосованого симетричного фільтра на більш простий П - подібний.

Продовжуючи міркування, подивимося рис. 6.

На рис 6 показана спрощена схема підключення декількох комп'ютерів (число обмежено тільки потребами та можливістю навантаження мережі) для живлення від трифазної мережі змінного струму.

Тут загальна для вторинної електричної мережі, випрямна установка, зібрана по багатофазної схемою Ларіонова служить для її забезпечення постійним струмом потрібної потужності всіх споживачів. Вона має хороші параметри якості напруги і повністю замінює вхідні випрямлячі блоку живлення комп'ютера. Це дозволяє вивести блоки живлення комп'ютерів з синхронного режиму зарядки їх накопичувальних конденсаторів, що означає зниження імпульсних струмів в мережі і наближення їх до струмів розрахованим по середньої потужності. Це в свою чергу знижує їх вплив на первинні ланцюга і повністю виключає ефекти описані в статті "Комп'ютер в навантаження" і підвищує якість напруги в первинній мережі.

І як вже говорилося вище, це дозволить використовувати наявні блоки живлення, але дасть можливість їх спростити надалі. Останнє дозволить знизити вартість.

2. Розрахунок електроживлячих пристроїв, Г.С. Векслер, Київ, Техніка, 1978 р