Будова імпульсних блоків живлення, APFC

Деякий час тому мене запитували про коректор коефіцієнта потужності імпульсних блоків живлення. Спробую коротко розповісти, що це таке і навіщо він потрібен.

Так склалося, що у звичайному житті ви найімовірніше зустрінете коректор коефіцієнта потужності (ККП) у блоці живлення комп’ютера.
Ні, звісно, вони трапляються й в інших блоках живлення, навіть частіше, ніж у комп’ютерних. Але зазвичай це промислові блоки живлення, які в побуті трапляються вкрай рідко.
Думаю, більшість читачів мого блогу й глядачів мого каналу принаймні трохи орієнтуються в радіоелектроніці, тож, найімовірніше, бачили комп’ютерний блок живлення «зсередини».
Блок живлення з активним коректором на перший погляд майже не відрізняється від звичайного.


Але якщо придивитися уважніше, то на «гарячій» стороні можна помітити великий дросель. Його осердя може мати різну форму, але найчастіше трапляються кільцеві, як і на фото.
Крім того, такі блоки живлення відрізняються ще й тим, що зазвичай у них установлено один фільтрувальний конденсатор на 450–500 В, а не два по 200–250 В. Це пов’язано з тим, що такі блоки живлення часто мають широкий діапазон вхідної напруги — від 100–115 В, тож перемикання вхідної напруги їм не потрібне.


Не плутайте дросель АККП (активного коректора коефіцієнта потужності) з вихідним дроселем групової стабілізації, хоча зовні вони дуже схожі. Відмінність у тому, що дросель коректора зазвичай має лише одну обмотку, а ДГС (дросель групової стабілізації) — кілька.


Взагалі коректор може бути не лише активним, а й пасивним. У такому разі на верхній кришці блока живлення ви побачите «залізний» дросель із парою дротів, зовні схожий на трансформатор потужністю 10–20 Вт для частоти 50 Гц.
Такий варіант теж цілком життєздатний, але повноцінний активний коректор він замінити не може.

Тепер трохи про те, навіщо це все потрібно. Думаю, ви знаєте, що струм у мережі має форму синусоїди, діюча напруга становить 220–230 В (у нас), амплітудна — 310–320 В. Не розповідатиму зараз, чим діюче значення відрізняється від амплітудного, зроблю це іншим разом. А для тих, хто ще не бачив, ось як виглядає синусоїда на цьому рисунку.


Далі змінний струм випрямляється й фільтрується конденсаторами. Найчастіше застосовують таку схему, що складається з діодного моста й пари конденсаторів (іноді одного).
Звісно, там є ще вхідний фільтр і запобіжник, але в цьому випадку вони нас не стосуються.


За нормальної напруги на конденсаторах буде приблизно 280–320 В — залежно від їхньої ємності та потужності навантаження. Я вже розповідав про це у своєму відео, присвяченому будові блоків живлення.
Але оскільки напруга в мережі фактично 100 разів на секунду змінюється від нуля до 320 В і знову до нуля, а в колі є діодний міст, струм заряджання фільтрувальних конденсаторів тече не постійно, а лише тоді, коли амплітудна напруга перевищує напругу на конденсаторах.
При цьому струм у колі 220–230 В матиме вигляд, показаний угорі цього зображення. Виходить, що блок живлення споживає енергію не постійно, а лише на піках синусоїди. Якщо припустити, що БЖ споживає енергію лише 20% часу, то струм під час заряджання конденсаторів буде вп’ятеро більшим за середній струм споживання. Наприклад, струм — 1 А, потужність — 220 Вт, отже, піки струму сягатимуть 5 А.


Ця проблема постала «на повний зріст», коли кількість імпульсних блоків живлення перевищила певну «критичну масу». Зрештою придумали досить просте й ефективне рішення. До речі, у розвинених країнах усі потужні блоки живлення мають бути оснащені коректором коефіцієнта потужності. Але оскільки це недешево, виробники недорогих блоків живлення заощаджують насамперед на ньому.

Як я вже сказав, рішення проблеми просте й, по суті, лежить на поверхні. Основою цього рішення є звичайний підвищувальний перетворювач напруги. На схемі видно дросель, транзистор, діод, ШІМ-контролер і конденсатор.
Коли транзистор відкривається, у дроселі накопичується енергія, яка після закривання транзистора додається до вхідної напруги й надходить до навантаження, підзаряджаючи вихідний конденсатор. Таку схему часто використовують у павербанках, щоб отримати 5 В із 3,7 В.


Але якщо поєднати звичайний блок живлення з цією схемою, отримаємо активний коректор коефіцієнта потужності.
Важливо, що після діодного моста не встановлюють фільтрувальний конденсатор: його роль виконує конденсатор невеликої ємності, зазвичай 0,47–1,0 мкФ. Він потрібен лише для компенсації імпульсного характеру споживання коректора.

У результаті перетворювач намагається «висмоктати» з мережі все, що можна, уже в діапазоні не 220–230 В, а 40–80 В. До речі, потужні блоки живлення далеко не завжди можуть працювати в широкому діапазоні, хоча при цьому можуть містити у своєму складі АККП. Просто в таких режимах коректору доводиться важко, і роботи в широкому діапазоні вони не забезпечують, хоча й продовжують коректно працювати.


Тут я спробував наочно показати різницю в роботі звичайного БЖ і БЖ із коректором.
Червоним виділено варіант роботи звичайного блока живлення, заштрихована частина показує зону, де споживається струм. Видно, що зона досить вузька, відповідно, струм буде великим. Причому що більшою є ємність конденсаторів фільтра, то вужчою буде ця зона і то нижчим буде коефіцієнт потужності.
Синім і зеленим я показав пару варіантів роботи активного коректора: один починає працювати приблизно від 100 Вольт амплітудної складової, другий — приблизно від 50 Вольт. Видно, що зона стала ширшою, відповідно, струм пропорційно зменшується, а коефіцієнт потужності зростає.
Загалом ця зона може починатися майже від нуля, тоді коефіцієнт дорівнюватиме одиниці, але зазвичай він становить 0.98-1, цього більш ніж достатньо.

Чим же загрожує цей горезвісний коефіцієнт потужності?
Через піки струму відбувається короткочасне перевантаження мережі, внаслідок чого можуть виникнути проблеми у старих і зношених мережах. Можливе відгорання нульового проводу в трифазних мережах із зовсім сумними наслідками.


А ось схема вхідної частини комп'ютерного блока живлення, у складі якого є активний коректор потужності; його виділено синім кольором.
Не дивуйтеся, що на схемі немає ШІМ-контролера, який ним керує: часто він розташований на окремій платі, а іноді інтегрований у загальний ШІМ-контролер. Тобто, крім одного-двох штатних каналів, є ще й вихід для керування транзистором коректора. Такий варіант зручний для виробника, але далеко не завжди зручний для ремонтника. На самому початку я показав фото блока живлення: там якраз вийшов з ладу вузол коректора, а оскільки мікросхема керує всім, то й вона згоріла. Знайти заміну я не зміг, тому БЖ лежить мертвим вантажем і, можливо, буде розібраний на запчастини, тим паче що вони досить непоганої якості.


Що ж дає нам коректор? Спочатку — переваги:
1. Характер споживання майже такий самий, як у активного навантаження, відповідно, пікових перевантажень немає.
2. Часто такі БЖ мають розширений діапазон вхідної напруги й краще працюють у поганих електромережах.
3. Потрібна менша ємність фільтрувального конденсатора, оскільки паузи без струму коротші.
4. Інвертору блока живлення легше працювати, адже, по суті, він живиться стабілізованою напругою.

Тепер недоліки.
1. Вища ціна.
2. Нижча надійність
3. Можуть виникнути труднощі під час роботи з деякими моделями UPS.

Іноді точаться суперечки щодо ККД таких блоків живлення. Я дотримуюся думки, що ККД однаковий, адже хоча коректор і має власне споживання, основному інвертору працювати легше, тож у підсумку виходить те саме.

Ну і, звісно, відео на додачу. А я, як завжди, чекаю на ваші запитання і в коментарях тут, і під відео.