Сегодня поговорим о том, что скрыто: что происходит внутри компьютера на физическом уровне, когда он работает. Это не про программирование, а про базовое понимание того, как устроено железо, почему оно иногда не работает и как там вообще дела. Если хочется про программирование, вот классная статья о том, нужен ли ассемблер в 2024 году. Или почитайте, как сделать красивые кнопки в стиле скевоморфизма.
Начинаем.
Комплектующие компьютера выполняют разные функции и потребляют разное электрическое питание. При этом в розетке, в которую мы подключаем компьютер, только один вид электричества — ток переменного напряжения 220 вольт.
Чтобы компьютер мог с этим справиться, ток поступает сначала на блок питания. Внутри блока электричество проходит через разные штуки, которые как-то изменяют его характеристики — силу и напряжение. После этого процессор, оперативная память, видеокарта и другие привычные нам вещи могут работать и запускать игры, программы и интернет. Сегодня рассмотрим, как выглядят составные части блока питания, какую работу они выполняют и можно ли собрать такой блок самостоятельно.
Вот всё, что нужно знать для понимания статьи:
- плюсовой контакт тока называется анод;
- минусовой называется катод;
- ток течёт от плюса к минусу.
Об остальном расскажем по ходу статьи.
Ещё мы много будем говорить про напряжение, ток и заряды. Если говорить точно, то это разные характеристики, но обобщённо означают одно: к чему-то подключён электрический ток.
Переменные ток и напряжение
Сейчас будет база про ток. Если знаете физику на школьном уровне — можно пропустить. Или освежите знания, чтобы лучше понять, что будет дальше.
Переменный ток называется переменным, потому что его электроны постоянно меняют своё направление и двигаются то вперёд по проводнику, то назад. Частота тока означает количество таких смен направлений в секунду. Напряжение выражает максимальную скорость движения электронов. Чтобы понять, почему так происходит, надо посмотреть на производителя тока в наших домах — генератор на электростанции.
Если упрощать, то генератор состоит из магнита и металлических катушек. Внутри катушек есть электроны, но сами по себе они никуда не текут. Чтобы заставить их шевелиться и создать ток, магнит быстро приближается к катушкам разными полюсами:
В результате электроны бегут то в одном, то в другом направлении, а напряжение меняется от положительного к отрицательному. Получается переменный ток переменного напряжения:
От каждой из трёх катушек идут по два провода: три из них (по одному от каждой) соединяются и подключаются к промежуточной подстанции как один провод. Ещё три присоединяются к подстанциям напрямую.
От подстанции провода доходят до жилых домов с розетками. Чтобы в розетке было электричество, нужна замкнутая электрическая цепь: по одном каналу электроны приходят, по другому — уходят.
Соединённый тройной провод перед подключением заземляется, тока в нём нет. Поэтому он называется нулём. Все остальные, незаземлённые, провода от катушек называются фазами — они могут ударить током. Через фазу ток приходит, через ноль уходит.
В наших домах электричество однофазное — нам достаточно одной фазы и одного заземления, и в розетках появляется переменное напряжение 220 В. Если нужно подключить какие-то сложные энергоёмкие установки, подключаются все три фазы, и получается трёхфазная сеть.
Элементы для работы с током и напряжением
До розетки дошли, идём дальше. У нас есть переменный ток и напряжение 220 В. Чтобы детали компьютера могли их использовать, ток должен стать постоянным, а напряжение нужно снизить, причём для разных частей по-разному. Провода с разным напряжением называются линиями:
- Линию 12 В используют процессор, видеокарта, жёсткий диск и вентиляторы.
- Линии 5 В и 3,3 В нужны для USB и разных микросхем на материнской плате.
Преобразование напряжений происходит в блоке питания. Все блоки состоят из одних и тех же элементов, но комплектуются по-разному: элементы различаются по виду, характеристикам и схемам соединения. За это отвечают полупроводники.
Диоды и транзисторы
Самые распространённые полупроводники — диоды и транзисторы:
Основной элемент, из которого они состоят, — кремний. Если посмотреть на решётку его атомов, то видно, что на каждое ядро всегда приходится 4 электрона. Эти электроны крепко связаны между собой и никуда не уходят:
У чистого кремния низкая электропроводимость, потому что для тока нужны передвигающиеся электроны, а здесь таких нет.
Но к атомам кремния можно добавить примеси:
- Если добавить фосфор, к 4 несвободным электронам прибавится один свободный. Тогда его можно будет отдать.
- Если добавить алюминий, на месте четвёртого электрона будет пробел, который будет притягивать свободные электроны. Эти пробелы в физике так и называются — дырки.
Материал диодов со свободными электронами называется материалом N-типа, а материал с дырками — P-типа. Когда в одном диоде совмещаются два таких материала, в месте их соприкосновения электроны уравновешиваются и получается тонкий слой обычного кремния. На этом слое нет ни дырок, ни свободных электронов, поэтому он называется обеднённым.
Провод, который подключён к N-типу, называется анод, а к P-типу — катод. При повышении напряжения к аноду свободные электроны смогут преодолеть обеднённый слой и окажутся в P-типе — а оттуда уйдут дальше, если подключить ещё что-то.
Но в обратную сторону такой приём не сработает: электроны бегут только в одном направлении, потому что у P-типа нет свободных электронов, которые могли бы куда-то бежать. Если до диода у нас был переменный ток, диод делает его выпрямленным. Для надёжности в выпрямителях тока используется конструкция сразу из четырёх диодов — диодный мост: ток распараллеливается на два потока, проходит первые два диода и объединяется снова, уже выпрямленный, после вторых двух диодов.
Поскольку на преодоление обеднённого слоя электронам нужно потратить энергию, после диода напряжение падает. Этим можно пользоваться, например регулировать напряжение, управлять уровнями сигнала или защищать схемы от неправильного подключения. Но если нужно избежать падения напряжения, используют специальные диоды Шоттки:
Теперь транзисторы. Про них у нас есть отдельная статья, а здесь поговорим про их устройство с точки зрения электронов и материалов. Как и диод, транзистор состоит из материалов типов N и P, но уже из 3 слоёв. Эти слои называются базой, эмиттером и коллектором. Так устроены биполярные транзисторы:
В транзисторах два обеднённых слоя, и простым увеличением напряжения электроны не сдвинешь. Для запуска тока нужно подключить один из крайних слоёв к катоду, а базу — к аноду.
База — это переключатель, который позволяет току течь. Физически это управляющая нога транзистора:
Ток может течь в разных направлениях:
- В PNP — от эмиттера к коллектору (напряжение подают к эмиттеру).
- В NPN — от коллектора к эмиттеру (напряжение подают к коллектору).
Резистор
Перед тем как продолжить, вспомним, что такое сопротивление. Это способность проводника сопротивляться прохождению тока.
Резистор повышает сопротивление электрической цепи и выглядеть и называться может по-разному:
Чтобы понять, как правильно использовать резистор, нужно вспомнить ещё две формулы:
- I = U / R. Сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление.
- P = IU. Мощность равна силе тока, умноженной на напряжение.
Каждый прибор рассчитан на определённую мощность. Если ток в цепи будет больше, прибор сгорит — как, например, вольфрамовая нить в лампе накаливания.
Добавляя в цепь резисторы с разным сопротивлением, мы можем снизить мощность, чтобы конечный прибор работал нормально. При этом нужно учесть, что резистор тоже может сгореть, если на него поступит слишком много мощности:
Поэтому при подборе нужно учесть параметр рассеиваемой мощности — это то, сколько ватт может принять на себя резистор и не сгореть.
Вот пример обозначений резисторов на схемах — это не всё, но теперь вы их узнаете:
Конденсатор
Конденсатор накапливает напряжение, а потом отдаёт его подключённым элементам — нагрузке. По описанию напоминает батарейку, но это разные вещи:
- Аккумуляторы-батарейки долго накапливают и долго отдают электрический заряд.
- Конденсаторы накапливают и отдают заряд практически моментально.
Чтобы заряд накопился в одном месте, используют две поверхности со слоем диэлектрика между ними. Такие поверхности называются обмотками. На одну обмотку подаётся отрицательный заряд, на вторую — положительный. Потом напряжение отключается, и конденсатор становится заряженным — диэлектрик не даёт заряду перейти от одной обмотки к другой.
Обмотки внутри конденсатора могут собираться по-разному. Это могут быть две пластины, а может быть рулон из фольги и электролита. Такие электролитические конденсаторы выглядят как цилиндры.
Ёмкость заряда напрямую зависит от площади обмоток конденсатора и от того, насколько близко они находятся друг к другу.
У электролитических конденсаторов самая высокая ёмкость. Но с годами электролит в них подсыхает, и сопротивление от этого увеличивается. А ещё на больших мощностях электролитические конденсаторы могут вести себя как другие элементы — дроссели, о которых мы расскажем ниже.
Наиболее эффективными считаются плёночные конденсаторы: они стабильные, надёжные и могут самовосстанавливаться после скачков напряжения. Но такие конденсаторы самые большие по размеру.
На схемах конденсаторы выглядят так же, как в жизни: две обмотки рядом. Обозначения для каждого типа немного отличаются друг от друга, но они всё равно похожи. Вот несколько примеров:
Стабилитрон
Выше мы пришли к выводу, что ток течёт по диоду только в одном направлении: от N-типа к P-типу. На самом деле это не совсем так: если со стороны катода создать сильное напряжение, оно пробьёт диод, и ток потечёт в обратном направлении.
Стабилитрон — это тоже диод. Внешне он похож на обычный диод и резистор одновременно:
Стабилитроны обозначаются на схемах почти как обычные диоды, но с небольшим крючком снизу:
У стабилитрона точно выверено напряжение, при котором его пробивает. Чтобы применять это свойство с пользой, нам нужен ещё один правильно подобранный компонент — резистор. Допустим, у нас есть стабилитрон на 10 В. Мы можем сделать такую штуку:
Теперь, если мы знаем допустимое максимальное напряжение для включения какой-то микросхемы, мы можем ограничить напряжение, которое дойдёт до неё. Для этого мы берём ограничительный стабилизатор, который не даст микросхеме сгореть. При этом напряжение можно подать чуть выше, чтобы микросхема наверняка включилась.
Ещё можно подавать ток на транзистор только при определённом напряжении. А транзистор будет открываться и пропускать заряд к ещё какой-нибудь детали. Только нужно не забыть подобрать правильный резистор, чтобы он не сгорел.
Дроссель
Основная часть дросселя — медная катушка:
Работают они так: если намотать на что-то медную проволоку и подключить к источнику тока, скрученная проволока начнёт создавать магнитное поле. По мере нарастания магнитного поля на это тратится вся энергия, поэтому через сам дроссель ток не проходит. Он продолжит течь дальше только после создания магнитного поля, когда оно полностью сформируется:
Если увеличить напряжение на входе в дроссель, произойдёт то же самое. Магнитное поле будет расти, а напряжение на выходе останется прежним на время этого роста. Если скачок напряжения был единичным, дроссель полностью поглотит его, и на выходе останется ровное напряжение. Такие скачки называют помехами.
Величина магнитного поля, которое создаст дроссель при постоянном значении тока, называется индуктивностью. На индуктивность влияют количество витков катушки и наличие или отсутствие сердечника.
Из-за их способности поглощать скачки напряжения дроссели обязательно добавляют в электрофильтры: сетевые фильтры с розетками, фильтры внутри блоков питания и в зарядные устройства для телефонов. Ещё дроссель не проводит переменный ток. Если электроны будут заходить в дроссель то с одной, то с другой стороны, он просто не успеет создать стабильное насыщенное магнитное поле, которое обеспечивает проход тока.
Магнитное поле в дросселе не хранится, а уходит в виде заряда. Как только прекращается подача напряжения, с выходного конца дросселя уходит напряжение. Если в дроссель послать ток и сразу прекратить подачу, на выходе получится напряжение меньше, чем на входе — это ещё один способ понижения напряжения.
Разные дроссели изображаются на схемах в виде полуспиралей:
Трансформатор
Наконец, добрались до основного устройства в блоке питания — трансформатора.
Трансформатор преобразовывает переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Мощность преобразованного тока не меняется — только сила и напряжение. Сами трансформаторы выглядят сложнее всего, что мы уже разобрали выше:
Чтобы преобразовать ток, нам нужно две катушки индуктивности. Всё преобразование происходит благодаря магнитной индукции, поэтому катушки можно соединить через сердечник или просто прижав друг к другу.
Катушка, на которую подаётся ток, называется первичной. Вторая называется вторичной. Выходное напряжение зависит от количества витков катушек:
- Если на первичной и вторичной катушках одинаковое количество витков, напряжение не изменится.
- Если на вторичной катушке в два раза больше витков, напряжение увеличится в два раза, а сила тока упадёт вдвое.
- Если на вторичной катушке в три раз меньше витков, напряжение снизится в три раза, сила тока вырастет в три раза.
Работает это так:
- Мы подаём ток на первичную катушку.
- Вокруг этой катушки, когда через неё течёт ток, появляется магнитное поле.
- Вторичная катушка тоже находится в этом поле, и из-за этого в ней появляется ток.
Получается, что физически провода катушек не связаны, но ток в одной приводит к появлению тока в другой.
Мы легко можем превратить напряжение 220 В в 400 В, но мощность при этом не изменится.
Две катушки трансформатора работают похоже на генератор переменного тока. Постоянное напряжение не вызовет движения электронов во второй катушке, поэтому для трансформатора обязательно нужен переменный или пульсирующий ток.
Трансформатор позволяет быстро снизить напряжение в блоке питания, чтобы ток можно было подпускать к конечным потребителям — процессору, накопителям, видеокарте. На схемах трансформаторы обозначаются как двойные дроссели:
Как это всё работает и можно ли собрать самому
Диоды, транзисторы и остальные штуки, которые мы разобрали, объединяются в более сложные: выпрямители, фильтры, преобразователи напряжения. Блок питания состоит из таких усложнённых конструкций, которые при желании можно собрать руками — хотя потребуется время на расчёты всех показателей и аккуратную сборку.
Мы рассказали про все важные элементы блока питания компьютера. Осталось понять, как их подружить между собой и отправить нужное напряжение к нужным комплектующим. Этим займёмся в следующий раз.
