# Лабораторная работа № 14.

Тема: Расчеты мощности.

Цель работы: Научить студентов работать со звуком на программном уровне.

Теоретические сведения

Блок питания

Блок питания предназначен для подачи постоянного стабилизированного напряжения с заданными характеристиками. Обязательным элементом блока питания является понижающий трансформатор, преобразующий переменный ток высокого напряжения от бытовой электросети в постоянный ток низкого напряжения. Современные блоки питания - импульсные, с широтно-импульсной модуляцией. В таких блоках понижающий трансформатор работает на существенно большей частоте, чем частота переменного тока в сети: сначала ток проходит через выпрямитель, затем постоянное напряжение подаётся на импульсный генератор, в котором оно преобразуется в импульсы с частотой от 10 кГц до 1 МГц, и, наконец, эти импульсы поступают в понижающий трансформатор.

Главное достоинство такой конструкции - компактность и простота вывода нескольких напряжений, а к её недостаткам относятся высокий уровень высокочастотных импульсных помех, с которыми борются с помощью фильтров и экранов, а также низкий коэффициент мощности.

Типичный коэффициент полезного действия современных компьютерных блоков питания (КПД), то есть процентное отношение отдаваемой мощности к мощности, получаемой из сети, составляет порядка 80% при номинальной нагрузке. Блоки, которые соответствуют требованиям стандарта Energy Star 4.0, имеют КПД не ниже 80% при любой нагрузке выше 20%. А вот при низкой нагрузке КПД может упасть до 65% - это означает, что если начинка системника не может полноценно загрузить блок питания, то вы оплачиваете электричество, "вылетающее в трубу".

Не надо путать с коэффициентом полезного действия такой показатель, как коэффициент мощности (в англоязычных текстах - power factor). Он не является свидетельством эффективности работы, а лишь отражает соотношение между максимумами тока и напряжения (то есть разность фаз между ними) в сети переменного тока. Поскольку блок питания обладает собственной индуктивностью, он представляет собой реактивную нагрузку, в результате чего коэффициент мощности становится меньше единицы и достигает значения 0,6, что приводит, в частности, к увеличению потерь в проводах. На работе компьютера это никак не сказывается, что бы ни утверждали в рекламе - возникает только лишняя нагрузка на проводку.

В компьютерных блоках питания применяются две схемы коррекции коэффициента мощности (PFC), призванные минимизировать реактивную мощность: пассивная (P-PFC) и активная (A-PFC). Пассивная схема представляет собой просто включённую в схему катушку индуктивности или дроссель, сглаживающие импульсы, в результате чего коэффициент мощности вырастает, но незначительно - до 0,7-0,75. Активная схема, согласующая индуктивные и резистивные нагрузки, гораздо эффективней: она позволяет повысить коэффициент мощности до 0,95-0,99 и практически полностью устраняет бесполезную нагрузку на электропроводку.

Блоки питания стандарта ATX в обязательном порядке обеспечивают постоянные напряжения +12, +5, +3,3 и -12 В. +12 В подаются на центральный процессор, графический ускоритель, на винчестеры, оптические приводы и на другие компоненты с электродвигателями, например, корпусные кулеры. +5 В питают набор системной логики, контроллеры накопителей, платы расширения и различные микросхемы на системной плате, напряжение +3,3 В подаётся на некоторые другие микросхемы.

О возможностях конкретного блока питания свидетельствует сила тока на линиях с разным выходным напряжением - на всех БП есть наклейка, в которой указываются эти сведения (правда, не всегда достоверные). Технические требования к блокам питания содержатся в издаваемом Intel стандарте с длинным названием Power Supply Design Guide for Desktop Platform (актуальная версия - 1.2). Помимо прочего, в этом документе можно найти таблицы рекомендуемой нагрузки на БП различной мощности, данные в которых можно сравнить со значениями на этикетке.

Там же можно узнать массу интересного: например, блок с заявленной мощностью, скажем, 450 Вт по нагрузке тянет лишь ватт на триста. Если такой БП выдаёт по шине +12 В лишь 20 А, а не 25-30 А, то высококлассный графический ускоритель не сможет работать в полную силу. Недостаточная нагрузочная способность и есть та причина, по которой многие дешёвые блоки питания не способны выдать заявленные "ватты" по нужной линии +12V, без проблем отдавая их по менее востребованным +5V и +3.3V. Именно поэтому один "полукиловаттник" не справляется даже с графикой среднего класса, а другой без проблем тянет игровую машину с двумя картами в режимах SLi или CrossFire.

Главная задача при выборе блока питания - подобрать модель, которая с некоторым запасом покрывала бы все энергетические потребности системы. Такой БП будет работать с максимальным КПД, а вы не будете ежемесячно платить за воздух. Примерную мощность подходящего блока питания можно прикинуть исходя из данных об энергопотреблении основных комплектующих. Это можно сделать, например, при помощи онлайнового калькулятора. Конечно, эти данные будут примерными, но особая точность здесь и не нужна. Практика показывает, что, добавив к ним 10%, мы получим оптимальную мощность блока питания для систем среднего класса. Для ПК из высокопроизводительных комплектующих стоит заложить запас в 20%, но особенно увлекаться нет никакого смысла.

Современный процессор с материнской платой потребляют, в среднем, от 80 до 170 Вт - это зависит прежде всего от модели процессора. В частности, двуядерные Intel Core i3 потребляют всего 73 Вт, а двуядерные AMD Phenom II X2 - 80 Вт. Для четырёхъядерных Intel Core i7 характерен TDP 130 Вт, а термопакет различных моделей AMD Phenom X4 может составлять от 95 до 140 Вт. Добавим на каждый гигабайт оперативной памяти ещё по 10 Вт.

Энергопотребление графических ускорителей варьируется в чрезвычайно широких пределах: если бюджетная карточка может потреблять всего 20-40 Вт, то пиковая нагрузка топовых моделей значительно превышает 200 Вт. Заявленное пиковое энергопотребление двухпроцессорной Radeon HD 5970 - 294 Вт, а однопроцессорной GeForce GTX 480 - 250 Вт.

Максимальное энергопотребление современного жесткого диска в режиме записи составляет около 15 Вт, оптические накопители потребляют от 15 до 20 Вт. На различные карты расширения (звуковушки, контроллеры USB или SATA) добавим ещё 30 Вт.

Сложив, получим 190 Вт (80+40+10+15+15+30). Накинув 10%, получим оптимальную мощность блока питания для минимальной конфигурации - это всего лишь 210 Вт. Для несложной системы с производительной видеокартой получим около 400-450 Вт. Проще говоря, если вы не собираетесь заниматься экстремальным разгоном или строить супермонстра, то даже для мощного и навороченного десктопа вполне достаточно качественного БП на 500-600 Вт.

Теперь прикинем нагрузку. Главные потребители сидят на линии +12 В: центральный процессор - 7,5 А, графический ускоритель - 18-22 А, винчестер - не больше 1 А. В сумме получается около 30 А, это предельный ток для блока питания мощностью 400 Вт. По остальным линиям запаса хватит для питания памяти, USB-устройств и разной мелочи. Запомним цифру "30" - именно столько, и не меньше, ампер должен отдавать качественный универсальный блок питания по линии +12 В.

По поддерживаемой нагрузке на этой же самой востребованной линии можно оценить реальность заявленной мощности. Например, имеется блок питания с заявленной мощностью 460 Вт. По двум линиям +12 B он теоретически отдает 16+18=34 А. Велик соблазн умножить силу тока на напряжение, получив мощность 408 Вт. Не повторяйте ошибку авторов многих обзоров в интернете. Если на БП написано что-то вроде "12V1 18A, 12V2 16A", надо не доставать калькулятор, а читать дальше. Там обязательно будет дописано "MAX: 12V1+12V2 at 345W". Делим 345 на 12 и получаем 29 A, а никак не 34. Вот на эту силу тока и следует рассчитывать.

C остальными премудростями выбора блока питания можно разобраться без специальных познаний. Кому-то нравятся модульные БП, в которых можно просто не подключать ненужные кабели, что не только гарантирует аккуратность внутри системного блока, но и улучшает циркуляцию воздуха в нём. Кто-то предпочтёт классическую конструкцию, мотивируя свой выбор тем, что незачем плодить лишние разъёмы, гипотетически снижая надёжность системы. Сами кабели могут быть тоже разной длины - если в корпусе предусмотрена нижняя установка БП, то на это также стоит обращать внимание.

Мощность необходимого БП рассчитывается из суммарного энергопотребления всех компонентов системы. Ниже мы приведем ориентировочную таблицу расчета необходимой мощности, но истинные значения могут дать только непосредственные измерения. Отношение выделяемой в ходе преобразования энергии мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД), который характеризует эффективность этого преобразования.

Как известно из школьного курса физики, мощность для схемы постоянного тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока:

P = I·U,

где I — сила тока, а U — напряжение.

Импульсный БП имеет более высокий КПД (не менее 68%).

Так, в нормальных блоках питания напряжение с выпрямителя поступает на схему коррекции фактора мощности (Power Factor Correction, PFC), тогда как дешевые блоки такими схемами не оснащаются.Обычно в современных БП применяется пассивный PFC, и только в высококачественных — активная коррекция (Active PFC). Реализация питания с PFC приводит к уменьшению энергопотребления благодаря специальной цепи, обеспечивает большую эффективность и меньший нагрев блока. Впрочем, эффективность пассивного PFC невелика — измерения показывают, что КПД в таких блоках колеблется от 0,75 до 0,79 pf в зависимости от нагрузки (максимум приходится на нагрузку порядка 200 Вт), в то время как у блоков без коррекции фактора мощности он составляет около 0,7 pf, и лишь применение активной коррекции дает реальное увеличение фактора мощности — вплоть до 0,98 в лучших изделиях. Как правило, если производитель указывает наличие Active PFC в блоке, то заявляется об увеличении эффективности на 95% и выше, причем схема активной коррекции коэффициента мощности дает очень хороший результат во всем диапазоне нагрузок.

Таблица 1. Потребляемый ток (в амперах)

В настоящее время эффективность (КПД) принято отображать в значении pf (Power Factor) от 0 до 1, что, в принципе, то же самое, что и привычные проценты (к примеру, 80% КПД равен 0,8 pf).

Таблица 2. Варианты заданий

№ Варианта | В 1 | В2 | В3 | В4 | В5 | В6
CPU | Core 2 Duo E8400 | CPU Pentium Dual-Core\E5200\2,50GHz\800\2Mb | CPU Core i5/650/3.2GHz/4MB/73W/S1156 | CELERON Dual-Core\E5200\2,5GHz | Pentium 4 3200 HT | CPU Pentium 3 1200
MB | Full ATX | MicroATX | INTEL iP55 mATX,4 DDR3, SB, 1GLAN, SATA II,IEEE-1394 | MicroATX | Full ATX | MicroATX
RAM | 2*2Gb DDR2 800 | 2*1Gb DDR2 800 | 2*DDR III 2048 Mb (1333MHz) | 1*1GB | 2*1Gb DDR2 533 | 1*128 + 1*256 Mb SDRAM 133
VGA | GF GTX 260 896Mb/448b GDDR3 | 512Mb GigaByte GF9600GT\256b\DDR3\PCI-E | 2*MSI ATI Radeon 5750, 1024b/128bit GDDR5 | INTERNAL | 2*nVidia GeForce 7600 GT 256Mb/128b DDR2 | 128Mb GigaByte GF FX-5200 128Mb, AGP
HDD | SATA 2*500 GB | SATA 1*320GB, 1*160 GB | SATA 1*1500GB Seagate + 1* 640GB WD | 1*160GB | SATA 1*320 + 1*500 GB + 1*160+ 1*250 GB | IDE 1*40GB, 1*80 GB
FDD | + | + | FDD Floppy+Card Reader\USB\Black | + | + | +
USB FLASH | 1*4GB | 1*2GB +1*8GB | 1*8GB | 1*1GB | 1*4GB | 1*2GB
MODEM | ADSL 2+ Ethernet | ADSL+ USB | ADSL+ Ethernet | EM56USB-D 56K ext.USB | - | -
MONITOR | 21’’ | 19’’ | 23’’ | 17’’ | 19’’ | 17’’ CRT
Клавиатура | + | + | USB | + | + | +
Мышь | + | USB | + | + | + | +
Сетевая карта | + | + | + | + | - | +
Вентилятор CPU | + | + | + | + | + | +
Вентилятор внешний | 1 (8*8) + 1 (12*12) | 2 (8*8) | 2 (12*12) | 1(8*8) | 1 (12*12) | 1 (8*8)
Циф.видеокамера | - | - | + | - | - | -
CD-RW | - | - | + | - | - | +
DVD-RW | + | + | + | + | + | -

Задание: Рассчитать необходимую мощность блока питания с учетом КПД и запасом прочности не менее 30% в трех вариантах с Active PFC, пассивного PFC и без схемы PFC в блоке питания. Данные для расчетов приведены в таблице.