Электротехнические основы источников питания

А.В. СИТНИКОВ 
И.А. СИТНИКОВ

УЧЕБНИК

Москва
КУРС 
ИНФРА-М 

2020

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ  
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Рекомендовано 
Экспертным советом при ГБОУ УМЦ ПО ДОгМ  
для использования в образовательном процессе  
профессиональных образовательных организаций  
города Москвы в качестве учебника для студентов  
среднего профессионального образования по специальности  
2.09.02.02 «Компьютерные сети»

СРЕДНЕЕ  ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ  ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.311.6(075.8)
ББК 31.2я73

С41

ISBN 978-5-906818-76-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012249-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105124-5 (ИНФРА-М, online)
В книге излагаются основные положения теории электротехники иэлект
роники, методы расчета цепей, рассматриваются принципы действия 
трансформаторов, выпрямителей, фильтров, стабилизаторов, описываются принципы действия, схемотехнические и конструктивные особенности 
различных источников электропитания компьютеров, приводятся принципиальные схемы линейных и импульсных блоков питания.
Книга предназначена для учащихся средне-технических профессиональных учебных заведений по специальности 2.09.02.02 «Компьютерные 
сети», а также студентов начальных курсов высших учебных заведений.

УДК 621.311.6(075.8)
ББК 31.2я73

Р е ц е н з е н т ы:
В.В. Назаров — канд. техн. наук, доцент, зам. руководителя НУКРЛМ;
Н.Н. Щеглова — канд. техн. наук, доцент кафедры ИУ2, заместитель 

декана факультета ПС МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Ситников А.В., Ситников И.А.
Электротехнические основы источников питания: учебник. — 
Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2020. — 240 с. — (Среднее профес- 
сиональное образование).

С41

© Ситников А.В.,  
Ситников И.А., 2016, 2019
© КУРС, 2016, 2019

ISBN 978-5-906818-76-8 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012249-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105124-5 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве «КУРС»

Подписано в печать 13.03.2019.
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 15,0.
Доп. тираж 100 экз. Заказ № 

ТК 634146-567081-131117

ООО Издательство «КУРС»
127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.
Тел.: (495) 203-57-83.

E-mail: kursizdat@gmail.com 
http://www.kursizdat.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru
http://www.infra-m.ru

Предисловие

Микропроцессорная техника стала неотъемлемой частью жизни со
временного общества. Компьютеры управляют сложными технологическими процессами, связывают миллионы людей по электронным сетям, 
используются в процессе обучения в школах и вузах, помогают отвлечься от производственных и домашних забот. Микропроцессорная 
техника используется и для простейших бытовых расчетов, и при проведении сложнейших научных исследований.

Компьютерная техника на сегодняшний день — одна из самых 

быстро развивающихся областей науки и техники. Разработкой компьютерных блоков занимаются десятки тысяч производственных фирм 
во всем мире. Одним из важнейших аспектов в разработке компьютеров 
является создание блоков питания, т.е. устройств, преобразующих напряжение промышленной сети ~220 В, 50 Гц в напряжения, необходимые для обеспечения работы электронных блоков компьютера.

Требования, предъявляемые к блокам питания, очень жесткие и, как 

правило, противоречивые. Следовательно, создать устройство, отвечающее современным требованиям, можно только на базе глубоких знаний в области электроники, которая, в свою очередь, базируется на понятиях и законах электротехники.

Книга разделена на три главы. В первой главе даны определения ос
новных законов электротехники, описаны характеристики базовых элементов, представлены методы расчета сложных электрических цепей 
при различных входных воздействиях.

Во второй главе даны описания основных электронных компонентов, 

их характеристики и принципы работы. Проанализированы принципиальные схемы различных электронных блоков, на базе которых строятся 
схемы источников питания радиоэлектронной аппаратуры.

В третьей главе представлены блок-схемы линейных и импульсных 

вторичных источников питания, даны их сравнительные характеристики. В главе приведены принципиальные схемы блоков импульсного 
компенсационного источника питания компьютера формата ATX, как 
наиболее распространенного форм-фактора на сегодняшний день. 
Кроме того, описаны схемы блоков питания носимых микропроцессорных устройств.

Учебное пособие рассчитано на учащихся среднетехнических учеб
ных заведений и студентов начальных курсов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям, связанным с эксплуатацией 
и конструированием радиоэлектронной аппаратуры. Материал книги 
основан на курсе лекций, читаемых авторами студентам МГТУ 
им. Н.Э. Баумана.

Глава 1

основы электротехники

1.1. Топология элекТрических цепей. 

основные элеменТы

Любая сложная электрическая цепь состоит из совокупности про
стейших элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы 
сформировать в цепи токи и напряжения заданной величины 
и формы.

Электрические цепи состоят из отдельных элементов. Под эле
ментами в теории цепей понимают идеализированные модели реальных физических элементов, которым приписывают определенные простейшие свойства таким образом, чтобы в совокупности 
они отражали действительные сложные явления в реальных элементах. Соответственно и цепи, изучаемые в электротехнике, являются 
идеализированными моделями реальных электротехнических 
устройств.

Топология (геометрия) электрических цепей включает в себя та
кие понятия, как ветвь, узел, контур, последовательное включение 
элементов, параллельное и т.д. Ветвь — это участок цепи, в котором 
протекает один и тот же ток. Узел — это точка соединения трех и более ветвей. Последовательное включение элементов — это включение, когда между элементами нет ни одного узла, параллельное — 
когда элементы имеют два общих узла. Таким образом, можно сказать, что ветвь — это участок цепи, расположенный между двумя 
смежными узлами. Контур — это любой замкнутый участок цепи. 
Нужно обратить внимание на то, что замыкаться контур может через 
сопротивление, равное бесконечности. При этом бесконечное сопротивление обозначается как разрыв. Такой контур может использоваться, например, для определения напряжения на вольтметре, 
внутреннее сопротивление которого равно бесконечности.

Все идеализированные элементы электрических цепей можно 

разбить на несколько классов.

По отношению к преобразованию энергии элементы делят на ак
тивные и пассивные. К активным элементам относят устройства, 
преобразующие любые виды энергии в электрическую, к пассив

ным — преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии. Активные элементы в теории цепей еще называют источниками.

Источники бывают независимыми и зависимыми. У зависимых 

источников величина вырабатываемого напряжения или тока является функцией напряжения или тока на других участках цепи. Зависимые источники могут быть:
• источник ЭДС (напряжения), управляемый током (ИНУТ);
• источник ЭДС (напряжения), управляемый напряжением 

(ИНУН);

• источник тока, управляемый током (ИТУТ);
• источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).

Основными пассивными элементами являются резистивный, ем
костный и индуктивный элементы.

По виду графической характеристики элементы делят на линей
ные и нелинейные, по отношению к направлению передачи энергии — взаимные и невзаимные (обратимые и необратимые). Элемент называется обратимым, если при изменении направления 
передачи энергии параметр элемента не меняется. Примером нелинейного элемента может служить диод (нелинейный резистор) или 
катушка индуктивности, намотанная на стальной сердечник. К взаимным элементам относятся, например, резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, к невзаимным — транзисторы, диоды 
и т.д.

Элементы можно разделить на инвариантные и переменные 

во времени. Элемент называется инвариантным, если его параметр 
не изменяется во времени. Если параметр элемента независимо 
от тока и напряжения на нем изменяется во времени, элемент называют переменным во времени (инерционным).

Если параметр элемента не зависит от пространственной коорди
наты, то такой элемент называется сосредоточенным, если зависит — 
то распределенным. К распределенным элементам можно отнести, 
например, полосковые линии, используемые в радиоэлектронных 
локаторах, антеннах.

Электротехника, как и электроника, базируется на таких ос
новных понятиях, как электрический ток и напряжение. На эти две 
составляющие разбили понятие электрической энергии, дать определение которой довольно сложно. Подобное разделение, например, 
применяется и в механике, где механическую энергию делят на кинетическую и потенциальную. Ток в электротехнике является аналогом кинетической энергии, а напряжение — потенциальной. Дадим 
определения этих понятий.

Электрический ток — это изменение электрического заряда 

во времени. Значение тока определяется количеством электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника 

в единицу времени: i
q
t

dq
dt
t
=
=

→
lim
.

Δ

Δ
Δ
0
 Ток измеряется в амперах [A]. 

Хотя основным носителем заряда является электрон, т.е. отрицательный заряд, за направление тока принимают направление, в котором 
перемещаются положительные заряды, т.е. изменение электрической 
энергии от условно положительного значения к отрицательному. Однако это справедливо только для постоянного тока. Для переменного 
тока, например гармонического (синусоидального), понятие «направление тока» имеет отношение к фазовым характеристикам.

При расчете цепи необходимо выбрать условное (положительное) 

направление тока и указать его на схеме стрелкой (рис. 1.1).

Если в схеме есть источники тока или ЭДС, то предпочтительно 

выбирать направление тока в ветви по направлению источников.

Перемещение зарядов в цепи осуществляется за счет энергии 

электрического поля. Напряжение, или разность потенциалов, 
на участке цепи — это энергия w (или работа), затрачиваемая на перемещение единицы заряда q из одной точки электрической цепи 
в другую: 

u
w
q

dw
dq
t
=
=
=

→∞
j
j
2
1
lim
.

Δ

Δ
Δ

Напряжение измеряется в вольтах [B].
При расчете цепи необходимо выбрать условное (положительное) 

направление напряжения и указать его на схеме стрелкой (см. 
рис. 1.1). Если в результате расчета значение тока или напряжения 
получится отрицательным, выбранные направления токов и напряжений изменять на противоположные не следует.

На перемещение кванта электрической энергии из одной точки 

пространства в другую затрачивается энергия электрического поля. 
Затраченную на перемещение заряда q энергию на участке цепи с на
i

u12

1
2

Рис. 1.1. Обозначение тока и напряжения на схеме

пряжением u определяют по формуле w
udq
uidt
=
=
∫
∫
. Энергия из
меряется в джоулях [Дж].

Энергетические характеристики цепи оценивают с помощью та
кого понятия, как мощность. Мощность определяется как скорость 

изменения энергии во времени: p
dw
dt
ui
=
=
. Мощность положи
тельна при совпадении знаков напряжения и тока и отрицательна 
при их несовпадении, измеряется в ваттах [Вт].

Таким образом, электрическая цепь — это совокупность элемен
тов (устройств) и соединяющих их проводников, по которым может 
протекать электрический ток. Электрическая цепь состоит из источников и приемников электромагнитной энергии. Рассмотрим характеристики основных (базовых) элементов электрических цепей.

В электротехнике используются три основных пассивных эле
мента: резистивный, индуктивный и емкостный. Назначение этих 
элементов в электрической цепи — управлять током или напряжением по определенному закону. Коэффициенты, связывающие напряжение и ток и их производные на элементе, называются параметрами элемента. Если параметр не зависит от значений и направлений 
токов и напряжений в цепи, то такой элемент называют линейным. 
Строго говоря, параметры элементов почти всегда в какой-то мере 
зависят от тока и от напряжения, однако во многих случаях этой зависимостью можно пренебречь.

резистивный элемент

Резистивный элемент (резистор) — это идеализированный эле
мент цепи, в котором напряжение и ток пропорциональны (закон 
Ома):

u
iR i
u
R
=
=
;
,

где R — коэффициент пропорциональности (параметр резистивного 
элемента), называемый сопротивлением. Сопротивление измеряют 
в омах [Ом].

В резисторе происходит необратимый процесс преобразования 

электромагнитной энергии в тепло. Необходимо ясно понимать, что 
резистор устанавливается в цепь для управления током или напряжением, а выделение тепла является побочным явлением, для 
борьбы с которым часто приходится применять особые средства, 
вплоть до установки в систему охлаждающих устройств (пассивных — радиаторов, активных — вентиляторов). Иногда резисторы 

используются в качестве нагревателей, например в калориферах, 
термостатах, электрочайниках. Условное изображение резистивного 
элемента представлено на рис. 1.2.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) резистора могут быть ли
нейными (рис. 1.3, прямая а) или нелинейными (рис. 1.3, кривая б).

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью: 

G
R

i
u
=
=
1
. Единицей проводимости является сименс [См].

Электромагнитная энергия, поступившая в сопротивление за не
который промежуток времени и превращенная в тепло, определяется 
по формуле

w
u i dt
Ri dt
Gu dt
R
R R

t

R

t

R

t

=
=
=
∫
∫
∫

0

2

0

2

0

.

Мгновенная мощность:

p
u i
Ri
Gu
R
R R
R
R
=
=
=
2
2.

i

R
u

Рис. 1.2. Резистивный элемент

i, A

u, B

а
б

Рис. 1.3. ВАХ резистора: 

а — линейного; б — нелинейного

емкостный элемент

Емкостный элемент (конденсатор) — это идеализированный эле
мент цепи, в котором напряжение и ток связаны по интегральному 
закону для напряжения и по дифференциальному закону для тока:

u
C i dt
C
C
=
∫

1
;

i
dq
dt
C du

dt
C

C
=
=
.

То есть величина тока в конденсаторе определяется скоростью 

изменения напряжения на конденсаторе. Так как напряжение 
на конденсаторе имеет вид интегральный (т.е. суммирующий), емкостный элемент можно отнести к разряду накопителей. Это свойство часто используется в различных устройствах, например для подпитки оперативной памяти при выключении питания микроЭВМ. 
При этом какие-либо потери энергии в идеальном емкостном элементе отсутствуют.

Параметром конденсатора является емкость. Условное изображе
ние емкостного элемента дано на рис. 1.4.

Заряд конденсатора q пропорционален напряжению: q
CuC
=
, сле
довательно, параметр емкостного элемента — емкость равна C
q
uC

=
.

Емкость измеряют в фарадах [Ф]. Кулон-вольтная характеристика 
емкостного элемента, т.е. зависимость заряда на обкладках конденсатора от напряжения, может быть линейной (рис. 1.5, прямая а) или 
нелинейной (рис. 1.5, кривая б).

Мгновенную мощность на конденсаторе можно определить 

по формуле

p
u i
Cu du

dt
C
C C
C

C
=
=
.

iC

C
uC

Рис. 1.4. Емкостный элемент

Мощность pC положительна при совпадении знаков напряжения 

uC и тока iC, при этом происходит запасание энергии в электрическом 
поле конденсатора. Мощность pC отрицательна при несовпадении 
знаков uC и iC, при этом запасенная в конденсаторе энергия возвращается во внешнюю по отношению к нему цепь. Энергия электрического поля емкостного элемента равна

w
u i dt
Cu dCu
Cu
q
C
C
C C
C
C

C
=
=
=
=
∫
∫

2
2

2
2
.

индуктивный элемент

Индуктивный элемент (катушка индуктивности) — это идеали
зированный элемент цепи, в котором напряжение и ток связаны 
по дифференциальному закону для напряжения и по интегральному 
для тока:

u
L di

dt
L

L
=
;

i
L u dt
L
L
=
∫

1
.

То есть величина напряжения на катушке определяется скоростью 

изменения тока. Так как ток, протекающий через катушку, имеет вид 
интегральный (т.е. суммирующий), индуктивный элемент, так же как 
и емкостный, можно отнести к разряду накопителей. Можно считать, 
что в индуктивном элементе происходит преобразование электрической энергии в энергию магнитного поля и обратно. При этом какиелибо потери энергии в идеальном индуктивном элементе отсутствуют.

Условное изображение индуктивного элемента дано на рис 1.6.

uC, B

q, Кл

а
б

Рис. 1.5. ВАХ емкостного элемента