О правильном «питании»

Вячеслав ОВСЯННИКОВ
ведущий специалист фирмы «ЕПОС»

Когда разговор заходит о достоинствах того или иного компьютера, то в первую очередь обсуждаются возможности его процессора. Я могу в два счета доказать, что самым главным элементом является не что иное как блок питания. Действительно, сравните производительность компьютеров с разными процессорами, например, Intel и AMD, в одинаковой конфигурации – без блоков питания!

Более того, если процессор в результате неправильной эксплуатации попросту тихо сгорает, то блок питания может причинить неудобства, устроив пользователю небольшой электрический стул. Но даже если дело не доходит до таких крайностей, блок питания способен на множество мелких пакостей. И вот что интересно: любой человек четко осознает пользу правильного питания лично для себя. Однако при покупке компьютера он первым делом выбирает хороший процессор, а на корпусе – и, соответственно, на блоке питания – предпочитает сэкономить.

Давайте заглянем под крышку блока питания компьютера и посмотрим, чего стоит подобная «экономия».

Чего мы ждем от блока питания

Да, собственно, требуется от блока питания совсем немногое.

Во-первых, он должен вырабатывать стабилизированные напряжения нужного номинала, во-вторых, обеспечивать надежную защиту от высокого напряжения сети 220 В.

Но далеко не всякий блок питания соответствует этим нехитрым требованиям.

Современный блок питания компьютера – сложное многокаскадное устройство, в котором стабилизированное напряжение вырабатывается после ряда преобразований (рис. 1).

Автогенератор при некачественном исполнении может сам служить источником помех, а стабилизаторы сейчас выполняются исключительно по импульсной схеме. Выходное напряжение источника питания называют постоянным условно. Оно скорее «пляшущее» в заданных пределах вокруг номинального значения. При таком построении схемы существует множество дополнительных источников импульсных помех.

Рис. 1. Функциональная схема источника питания

Именно так устроены все современные блоки питания компьютеров. Чем же тогда один блок может отличаться от другого? Давайте не будем углубляться в теорию, а с помощью осциллографа посмотрим, что творится на выходе различных блоков питания.

Что касается защиты от высокого напряжения, то в основном это задача трансформатора. Однако должен заметить, что трансформатор не висит в воздухе сам по себе. Таким образом, электробезопасность зависит именно от блока питания в целом, а наша жизнь от его производителя.

Если измеренное тестером напряжение не соответствует номинальному значению, то это означает не недостаток блока, а то, что данный конкретный блок неисправен. В этом случае обсуждать нечего. Зато имеет смысл поговорить о форме выходного напряжения. В исправном блоке напряжение действительно периодически изменяется в определенных пределах (хотя это и не обязательно). Это связано с особенностями функционирования импульсных блоков питания. В частности, мы сняли осциллограммы выходного напряжения блока питания, производитель которого пожелал остаться неизвестным, т.н. «noname», и весьма приличного блока фирмы Enlight .

Рис. 2. Осциллограммы выходного напряжения блоков питания при минимальной нагрузке: а) «noname»; б) фирмы Enlight

В блоке питания неизвестного производителя форма выходного напряжения при минимальной нагрузке соответствует «классическим» представлениям о форме напряжения на выходе импульсного блока питания (рис. 2а). В то же время на выходе блока питания Enlight (рис. 2б) никаких пульсаций практически не наблюдалось. На обоих снимках масштаб развертки по вертикали соответствует 50 мВ/дел.

Несмотря на то, что блок Enlight явно предпочтительней своего безродного собрата, напряжение блока «noname» все же не выходит за рамки допустимого, так что нельзя утверждать, что этот блок «плохой». Тем не менее обратите внимание на короткие выбросы напряжения. Хотя эти выбросы не превышают допустимых значений, они свидетельствуют о недостаточно хорошо продуманных при разработке блока режимах работы его элементов. В ряде случаев плохо подобранные режимы могут сыграть с компьютером злую шутку, о чем будет рассказано ниже.

При увеличении нагрузки пульсации на выходе блока питания «noname» почти не изменяются по величине (это очень хорошо его характеризует), хотя несколько изменяются по форме (что несущественно). Однако предательские выбросы напряжения при этом имеют явную склонность к увеличению (рис. 3а). В блоке питания Enlight выходное напряжение также приобрело классические пульсации, но меньшей амплитуды и без выбросов напряжения (рис. 3б).

Рис. 3. Осциллограммы выходного напряжения блоков питания «noname» при 50% номинальной нагрузки: а) «noname»; б) фирмы Enlight

Таким образом, по результатам проведенного эксперимента можно констатировать, что оба блока питания, несмотря на явные различия, соответствуют предъявляемым к ним требованиям. В большинстве случаев пользователь не заметит разницы. Но при определенных нагрузках (т.е. для конфигурации некоторых конкретных компьютеров) плохо отлаженные режимы работы элементов блока питания могут спровоцировать самовозбуждение отдельных каскадов, что приведет к резкому изменению формы выходного напряжения. В частности, при определенных нагрузках блок питания «noname» вместо постоянного напряжения начал выдавать на системную плату перепады, запечатленные на рис. 4. Масштаб по вертикали (50 мВ/дел.) оставлен неизменным для облегчения сравнения результатов.

Рис. 4. Осциллограмма выходного напряжения блока питания «noname», 70% номинальной нагрузки

Пилообразное выходное напряжение промодулировано высокочастотным, а выбросы напряжения, на которые мы обращали внимание выше, стали просто огромными. Отдельные выбросы явно выходят за границы экрана.

При такой форме напряжения питания сбой в работе компьютера – лишь вопрос времени. Именно в этом нередко и кроется причина того, что компьютер работает неустойчиво при полностью исправных деталях и временами «виснет» по необъяснимым причинам. Очень немногие пользователи сумеют предположить связь между отказами машины в самый неподходящий момент и некачественным блоком питания. В бессильной злобе измученный владелец такого компьютера меняет все комплектующие по очереди, вспоминая недобрым словом «этих коммерсантов», а в конце концов приходит к убеждению, что во всем виноват Билл Гейтс и его Windows.

Динамические характеристики

Если бы последствия предательского поведения некачественных блоков питания этим и ограничивались, то, возможно, не стоило бы вообще поднимать эту тему. Но есть еще и плохие динамические характеристики. Мы не стали сооружать специального стенда для их измерения, а проверили реакцию блоков питания на изменение нагрузки в реальных условиях. Для этого мы запустили CheckIt в режиме тестирования жесткого диска, так как в этом режиме происходит периодическое перемещение головок диска.

Оказалось, что для нашего бедного блока питания «noname», в отличие от Enlight, перемещение головок – уже очень заметное изменение нагрузки (рис. 5).

Рис. 5. Модуляция выходного напряжения блока питания «noname» при перемещении головок диска

Конечно, эти изменения напряжения не так уж велики, и, пока продолжается работа с жестким диском, сбои маловероятны даже для блока «noname». Но в современных компьютерах при отсутствии активности пользователя диски «засыпают». Представьте себе, как «пляшет» напряжение питания в момент, когда вы после длительного перерыва обратились к диску, чтобы сохранить результаты работы, и диски начали «просыпаться». При этом от пользователя компьютера с некачественным блоком питания нередко можно услышать все, что он думает... опять-таки о Билле Гейтсе.

Чего мы не ждем от блоков питания

Наверное, для многих неожиданностью окажется и все высказанное нами выше. Но меньше всего можно предположить, что в таком ответственном приборе, как блок питания, забудут припаять какую-нибудь деталь. А такое встречается довольно часто, и в большинстве случаев виной тому даже не рассеянность девочки-монтажницы.

На блок-схеме рис. 1 не случайно был показан фильтр импульсных помех как один из важных элементов блока питания. Он служит для предотвращения проникновения помех, возникающих в импульсном блоке питания, в сеть 220 В. Если такого фильтра нет или его параметры не отвечают определенным требованиям, то блок питания не пройдет сертификацию в соответствующих органах и не может продаваться в Украине. Но мы-то с вами реалисты и понимаем, что для украинского рынка «не может продаваться» вовсе не означает «не продается».

Мы разобрали несколько блоков питания из числа реально доступных на нашем рынке и увидели картину, воспроизведенную на рис. 6.

Рис. 6. Варианты исполнения фильтров блока питания:
а) питание подведено после фильтра;
б) отсутствуют конденсаторы фильтра;
в) фильтр зашунтирован

На рис. 6а фильтр блока питания, прошедшего сертификацию. Вызывают уважение усилия, которые приложил производитель к тому, чтобы его продукция соответствовала требованиям международных стандартов. На рис. 6б фильтр присутствует, но по мнению органов сертификации лучше бы его не было вовсе. На рис. 6в блок питания такой же, как и на рис. 6б, но в модификации, которая реально продается конечным пользователям. Похоже, что не только тиграм «мяса не докладывают»...

Какой-нибудь эгоист может необдуманно заявить: мол, помехи, которые дает мой блок питания, мне самому не мешают, а кому мешают, тот пусть сам и думает. Таким эгоистам я отвечу: фильтр не разбирает, откуда и куда поступают помехи. Он борется со всеми. В том числе и с теми, которые поступают на ваш компьютер от приборов других эгоистов. А эти помехи могут быть значительными по величине.

В частности, мы взяли пусковое реле от старого холодильника и запустили его в режиме непрерывного включения-выключения. Включили эту конструкцию в розетку (причем даже не в ту непосредственно, в которую включен компьютер) и посмотрели на осциллографе форму выходного напряжения блока питания без фильтра импульсных помех (рис. 7).

Рис. 7. Выброс на выходе блока питания без фильтра

Можно убедиться, что у компьютера совершенно не осталось оснований для хорошего самочувствия. Однако в глазах владельца виновником неизбежного сбоя останется не бабушкин холодильник, а все тот же Билл Гейтс.

...И чего мы можем дождаться

Ни один автор не любит заканчивать статью на мрачной ноте. Однако рассуждения о технике безопасности часто не принимаются всерьез. Компьютеры в современном мире встречаются на каждом шагу и при этом почти никого и почти никогда не бьют током. Но ведь не бьют до поры до времени! Поэтому я решил закончить как можно более мрачно.

Когда кому-то что-то недодают, это всегда неприятно. Но вдвойне неприятно, когда от отсутствия мелкой детали может зависеть жизнь или здоровье людей. Вопросы электробезопасности очень жестко регламентированы как международными, так и действующими в Украине стандартами (ГОСТ 25861-83). Каждый пункт этих документов оплачен чьей-то жизнью. Тем не менее ради копеечной экономии некоторые производители блоков питания не моргнув глазом идут на прямые нарушения международных стандартов. Видов нарушений встречается очень много – в рамках одной статьи всего не перечислить. Приведем пример исполнения соединения провода защитного заземления с корпусом блока питания.

Рис. 8. Выполнение заземления: а) правильное; б) так делать нельзя

Для правильного выполнения заземления обязательно необходим болт, клемма заземления должна быть привинчена гайкой с пружинной шайбой (рис. 8а). На рис. 8б приведен иной вариант. Вид самореза, ввинченного безо всяких шайб в непонятную «фитюльку», способен вызвать только сочувствие к тому, кому был продан весь блок. Обиднее всего то, что этот недостаток можно легко обнаружить, если снять крышку блока питания. Но обычно его продают опломбированным и грозят лишить гарантии, если покупатель окажется слишком любопытным и захочет заглянуть под эту крышку.

Поскольку мы затронули вопрос, как подсоединяется к корпусу защитное заземление, то резонно затронуть и вопрос, а как же выполнить это самое заземление. Оговорюсь сразу: это очень обширная и сложная тема, заслуживающая отдельного рассмотрения. В нашу статью эта тема заведомо не поместится. Но к сожалению, интернет изобилует совершенно бессмысленными советами по этому поводу. Поэтому вообще обойти вопрос молчанием никак невозможно.

Итак, несколько самых насущных рекомендаций:

1. Относитесь к дилетантским советам критически.
2. Не используйте в качестве заземления батарею отопления и другие подобные предметы. Никогда не используйте нулевой провод в качестве защитного заземления.
3. Не прокладывайте локальную сеть коаксиальным кабелем (где такая сеть уже работает, пусть работает, но новые рабочие места подключайте витой парой).

Сомневающиеся могут рассмотреть на рис. 9 фотографию платы одного из наших клиентов (после того, как ее отчистили от копоти).

Рис. 9. Результат использования коаксиального кабеля для локальной сети

Эта плата стояла рядом с сетевой платой в сервере, обслуживающем локальную сеть на коаксиальном кабеле. От самой сетевой платы остались одни угольки. К счастью, человеческих жертв не было.

Автору запомнился еще один случай, когда пришлось проводить служебное расследование по факту нарушения техники безопасности в точно такой же ситуации – после замеров напряжения (в том числе и под нагрузкой) между разъемом коаксиального кабеля и корпусами компьютеров, когда дядя Вася-электрик перепутал фазу и ноль. Мне до сих пор непонятно, каким образом удалось тогда избежать трагедии.

В итоге можно сказать, что от качества блока питания работоспособность компьютера в целом зависит не меньше, чем от качества других его элементов. Очень часто зависит от этого блока и куда больше. Поэтому я рекомендую отнестись к выбору блока питания не менее серьезно, чем к выбору процессора. И не стоит на нем экономить. Дороже обойдется.

Ранее опубликовано:

CHIP-Панорама. 2000, №5, стр. 10.