Единицы измерения физических величин. Часть 2

Добрый день, друзья!

В первой части статьи мы рассмотрели такие единицы физических величин, как литр, метр и вольт. Продолжим это увлекательное дело и рассмотрим, что такое

 Ампер

В амперах измеряется сила потребляемого устройством тока.

Электрический ток — это направленное движение электрических частиц.

Его можно сравнить с движением крови в живом организме.

Еще одна наглядная аналогия: ток — это стадо, а пастух — это напряжение. Чем сильнее пастух щелкает бичом, тем быстрее движется стадо. Чем больше напряжение, тем сильнее электрический ток.

Эту зависимость называют еще законом Ома: I =U/R

Здесь U — напряжение, I — электрический ток, R — сопротивление цепи. Из закона следует, что чем больше сопротивление электрической цепи (при одном и том же напряжении), тем меньше ток. Компьютер может потреблять от своего блока питания токи более десятка ампер по каждому из основных напряжений. Это большие величины!

До половины мощности потребляет процессор. Современные процессоры могут потреблять  более 100 Вт — как лампа накаливания, установленная в светильник на нашем рабочем столе. Если учесть, что ядро процессора питается напряжением немногим более 1 В,  то через понижающий импульсный стабилизатор протекают токи в десятки ампер!

Такая мощность разогревает процессор, поэтому на него устанавливают охладитель (cooler), состоящий из металлического радиатора и вентилятора. Вентилятор обдувает ребра радиатора, унося от них тепло. Если бы не было вентилятора, потребовался бы радиатор гораздо больших размеров.

Интересно отметить, что хотя через силовые ключи импульсного преобразователя, расположенного на материнской плате, курсируют токи в десятки ампер, на них не ставят радиаторы (как на процессор).

Дело в том, что в качестве ключей используют полевые транзисторы, которые в открытом состоянии имеют очень небольшое сопротивление канала — 0,005 Ом и менее. Поэтому на них — в соответствии с законом Ома — падает очень небольшое напряжение. Соответственно, рассеиваемая мощность невелика.

Привод шпинделя не очень быстрого винчестера, который питается напряжением 12 В, потребляет ток в доли ампера. Чем больше обороты шпинделя, тем больше величина потребляемого тока. Современные скоростные электромеханические винчестеры могут иметь скорость 15 000 об/мин.

Сделав шаг в сторону от гигантомании, вспомним, что светодиодные индикаторы на передней панели системного блока (или принтера) потребляют несколько миллиампер (мА). Завершая разговор о единице измерения тока, отметим, что настройки компьютера хранятся в микросхеме CMOS Setup, которая потребляет от литиевой батарейки ток менее 1 микроампера (мкА). Поэтому энергии такой небольшой «таблетки» хватает на несколько лет.

Небольшая величина тока определяется технологией производства CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). К слову, процессоры также сделаны по этой технологии. Для того, чтобы элемент КМОП переключился, нужна небольшая энергия на перезаряд его внутренних емкостей. В процессоре этих элементов миллионы и переключаются они с частотой в миллиарды герц. Отсюда и большая потребляемая мощность.

Ватт

Единица измерения мощности названа в честь английского физика Уатта. Она также имеет непосредственное отношение к компьютерной технике и периферийным устройствам, ведь все они потребляют электричество. Мощность — это произведение напряжения на потребляемый ток: P = U * I. Видно, что чем больший ток потребляет устройство, тем большую мощность отдает источник питания.

В компьютере больше всего потребляет обычно процессор. Наиболее мощные процессоры могут потреблять до 130 Вт! Десяток — другой ватт может «кушать» сама материнская плата, ориентировочно десяток ватт нужен винчестеру со скоростью 7 200 об/мин. Требуют для себя питания и приводы DVD, и платы расширения (особенно видеокарта). Если в компьютере установлена мощная игровая видеокарта, она может потреблять даже больше чем процессор!

Вентиляторы  без электрического тока вращаться не будут. Небольшая энергия расходуется на засветку индикаторов, расположенных на передней панели.

Некоторые любители визуальных эффектов размещают на корпусе и вентиляторах множество разноцветных светодиодов. И компьютер напоминает порой новогоднюю елку.

В общем, все, что вращается, переключается и светится, требует для себя «еды». «Ресторатором» выступает блок питания, поставляющий различные «блюда» (напряжения). Компьютерный блок питания  обеспечивает основные напряжения +3,3 В, +5 В, +12 В. Общая потребляемая мощность — это сумма мощностей, потребляемых по каждому напряжению.

Отметим, что в БП существует и дежурный источник напряжения +5 VSB, который питает часть компонентов материнской платы (если вилка кабеля вставлена в сеть). Он запускает основной инвертор блока питания и должен обеспечивать ток 2 А или даже больше. Вот вам и еще десяток ватт к заказам «ресторатора».

Если мощность, потребляемая всеми цепями компьютера будет больше той мощности, которую может обеспечить блок питания, то нормальной работы, естественно, не будет. В лучшем случае в БП сработает защита, которая уменьшит все выходные напряжения до нуля. А в худшем случае блок питания просто сгорит!

Для надежной работы блок питания должен обладать запасом, т. е. отдаваемая им энергия должна превышать сумму мощностей, потребляемых каждым устройством. На этикетках дешевых блоков питания неизвестных производителей нередко пишут завышенное значение мощности. Такой БП либо «не потянет» нагрузку, либо будет работать с перегрузкой и перегревом. В результате надежность работы снизится.

Заканчивая разговор о ваттах, скажем несколько слов

Об активной и пассивной мощности

Активная мощность — это та, которая производит полезную работу: переключает элементы процессора, вращает шпиндель винчестера, двигатель привода DVD, вентиляторы, зажигает индикаторы. Таким образом, потребляемая компьютером мощность активна.

С переменным током и напряжение сети 220 В дело обстоит сложнее. Компьютерный блок питания имеет реактивные элементы (конденсаторы, дроссели), поэтому между током и напряжением существует сдвиг фаз.

В курсе электротехники доказывается, что из-за этого сдвига появляется реактивная составляющая мощности, которая полезной работы не производит. Она только качается между генератором и нагрузкой, бесполезно нагревая провода. Полная мощность включает в себя активную и реактивную мощности, поэтому она всегда больше активной. Измеряется она не в ваттах, а в вольт-амперах (В*А).

Чтобы уменьшить реактивную мощность (и снизить нагрузку на электрическую проводку), в компьютерный блок питания встраивают устройство PFC (Power Factor Correction, коррекция коэффициента мощности). Они могут быть активными и пассивными.

Пассивный PFC — это дроссель, включенный последовательно с высоковольтным выпрямителем. Активный — специальное устройство с силовыми ключами. PFC увеличивает вес и стоимость блока питания. Наилучшую компенсацию обеспечивают активные PFC.

В настоящее время мощность БП, устанавливаемых в бытовых и офисных компьютерах колеблется примерно от 300 до 600 Вт. В серверах могут использоваться БП с мощностью 1 — 1,5 кВт. Вспомним школьный курс физики, где нам рассказывали, что одна лошадиная сила — это примерно 736 Вт.

Если учесть, что серверная — это небольшое помещение (и там стоит пяток серверов), то получится, что в маленькой комнатке стучит копытами табун лошадей. После долгого и утомительного трудового дня там и ржание можно услышать :-))

Заканчивая наш краткий разговор о физических величинах, приведем список приставок.

Много приставок придумано… Что-то привычно для слуха, что-то нет. Но жизнь меняется, и непривычное становится привычным. Вряд ли десять лет назад мы думали, что объемы винчестеров, установленных в наши домашние компьютеры, будут исчисляться терабайтами. «Светлое будущее» уже наступило :)

На сегодня все.

До новых встреч!