Импульсный бп: Принцип работы у импульсного блока питания

Содержание

Импульсный блок питания или линейный

13-01-2013

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников. Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдёшь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным блокам питания недостатки: сложность, ненадёжность, помехи.

Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Элементная база импульсного блока питания не стоит на месте.

Современная комплектация, применяемая в импульсных блоках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадёжность – это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть. Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства импульсного блока питания?

Импульсный блок питания. Высокий КПД

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора — ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны. КПД аналогового источника может быть порядка 50 %, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности.

Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

Импульсный блок питания. Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных блоков питания. Чем больше выходная мощность, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника. Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Импульсный блок питания. Надёжность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надёжнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например, от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы импульсного блока питания, что так же является показателем надёжности.

Импульсный блок питания. Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные блоки питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного. Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные блоки питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр

Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора — это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП — преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

В этой статье мы разберём блок стандарта ATX и объясним, как он работает¹.

Как и в большинстве современных БП, в нашем используется конструкция, известная как «импульсный блок питания» (ИБП). Это сейчас они очень дёшевы, но так было не всегда. В 1950-е годы сложные и дорогие ИБП использовались разве что в ракетах и космических спутниках с критическими требованиями к размеру и весу.

Однако к началу 1970-х новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования значительно удешевили ИБП, так что их стали широко использовать в компьютерах. Сегодня вы можете за несколько долларов купить зарядное устройство для телефона с ИБП внутри.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный «конвейер» на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы — специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.

Компоненты входного фильтра

Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC). Полномостовой выпрямитель на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками

? и +, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые постоянно меняют свою полярность. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.

На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.

На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.

Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.

Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне — низковольтные цепи. Две стороны разделены «пограничной изоляцией», которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит никаких электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.

Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

К этому моменту входной переменный ток преобразован в высоковольтный постоянный ток около 320 В². Постоянный ток нарезается на импульсы переключающим (импульсным) транзистором (switching transistor на схеме выше). Это силовой МОП-транзистор (MOSFET)³. Поскольку во время использования он нагревается, то установлен на большом радиаторе. Импульсы подаются в главный трансформатор, который в некотором смысле является сердцем БП.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Переключающий транзистор³ управляется интегральной схемой под названием «ШИМ-контроллер режима тока UC3842B». Этот чип можно считать мозгом БП. Он генерирует импульсы на высокой частоте 250 килогерц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, чип производит более широкие импульсы, чтобы пропускать больше энергии через трансформатор⁴.

Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток. Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.

Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП. А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности⁵.

Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор. Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством⁶.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования +5 и +12 В. Выход ?12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).

Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса⁷.

Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал «питание в норме» (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.

Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

В БП есть ещё вторая цепь — для резервного питания⁹. Даже когда компьютер формально «выключен», пятивольтовый источник резервного питания обеспечивает ему мощность 10 Вт для функций, которые продолжают работать: часы реального времени, функция пробуждения по локальной сети и др. Цепь резервного питания является почти независимым БП: она использует отдельную управляющую микросхему, отдельный трансформатор и отдельные компоненты на вторичной стороне DC, но те же самые компоненты на основной стороне AC. Эта система гораздо меньшей мощности, поэтому в цепи трансформатор меньшего размера.

Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор — справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа — компонент удвоителя напряжения. Белые капли — это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Блок питания ATX сложно устроен внутри, с множеством компонентов, от массивных индукторов и конденсаторов до крошечных компонентов поверхностного монтажа¹⁰. Однако эта сложность позволяет выпускать эффективные, маленькие и безопасные БП. Для сравнения, я когда-то писал о блоке питания 1940-х годов, который выдавал всего 85 ватт мощности, но был размером с чемодан, весил 50 кг и стоил сумасшедшие деньги. В наше время с продвинутыми полупроводниками делают гораздо более мощные БП дешевле 50 долларов, и такое устройство поместится у вас в руке.

Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.

¹ Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.

Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

² Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

³ Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

⁴ Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

⁵ Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

⁶ Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

⁷ Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

⁸ Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

⁹ Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.

Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

¹⁰ Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]

Показатели жизнедеятельности (температура тела, частота пульса, частота дыхания, артериальное давление)

Что такое показатели жизнедеятельности?

Показатели жизнедеятельности измеряют основные функции организма. Медицинские работники и поставщики медицинских услуг регулярно отслеживают четыре основных жизненно важных показателя:

Температура тела
Частота пульса
Частота дыхания (частота дыхания)
Артериальное давление (Артериальное давление не считается жизненно важным показателем, но его часто измеряют вместе с жизненно важными показателями.)

Жизненно важные показатели полезны для выявления или мониторинга медицинских проблем. Жизненно важные показатели можно измерить в медицинских учреждениях, дома, в месте оказания неотложной медицинской помощи или в другом месте.

Что такое температура тела?

Нормальная температура тела человека варьируется в зависимости от пола, недавней активности, потребления пищи и жидкости, времени суток и, у женщин, стадии менструального цикла. Нормальная температура тела может колебаться от 9от 7,8 градусов по Фаренгейту (или по Фаренгейту, что эквивалентно 36,5 градуса по Цельсию или по Цельсию) до 99 градусов по Фаренгейту (37,2 градуса по Цельсию) для здорового взрослого человека. Температуру тела человека можно измерить любым из следующих способов:

Устно. Температуру можно измерять ртом с помощью классического стеклянного термометра или более современных цифровых термометров, в которых для измерения температуры тела используется электронный зонд.
Ректально. Температура, измеренная ректально (с помощью стеклянного или цифрового термометра), как правило, на 0,5–0,7 градуса F выше, чем при измерении через рот.
Подмышечный. Температуру можно измерять под мышкой с помощью стеклянного или цифрового термометра. Температура, измеренная этим путем, как правило, на 0,3–0,4 градуса по Фаренгейту ниже, чем температура, измеренная через рот.
На слух. Специальный термометр может быстро измерить температуру барабанной перепонки, которая отражает внутреннюю температуру тела (температуру внутренних органов).
По коже. Специальный термометр позволяет быстро измерить температуру кожи на лбу.

Температура тела может быть ненормальной из-за лихорадки (высокая температура) или гипотермии (низкая температура). По данным Американской академии семейных врачей, лихорадка показана, когда температура тела повышается примерно на один градус или более по сравнению с нормальной температурой 98,6 градусов по Фаренгейту. Гипотермия определяется как падение температуры тела ниже 95 градусов по Фаренгейту.

О стеклянных термометрах, содержащих ртуть

По данным Агентства по охране окружающей среды, ртуть является токсичным веществом, представляющим угрозу для здоровья человека, а также для окружающей среды. Из-за риска повреждения стеклянные термометры, содержащие ртуть, должны быть изъяты из употребления и утилизированы надлежащим образом в соответствии с местными, государственными и федеральными законами. Свяжитесь с местным отделом здравоохранения, органом по утилизации отходов или пожарной службой для получения информации о том, как правильно утилизировать ртутные термометры.

Какова частота пульса?

Частота пульса — это измерение частоты сердечных сокращений или количества ударов сердца в минуту. Когда сердце проталкивает кровь по артериям, артерии расширяются и сужаются вместе с потоком крови. Измерение пульса не только измеряет частоту сердечных сокращений, но также может указывать на следующее:

Нормальный пульс здорового взрослого человека составляет от 60 до 100 ударов в минуту. Частота пульса может колебаться и увеличиваться при физических нагрузках, заболеваниях, травмах и эмоциях. Женщины в возрасте 12 лет и старше, как правило, имеют более высокую частоту сердечных сокращений, чем мужчины. Спортсмены, такие как бегуны, которые много занимаются сердечно-сосудистой системой, могут иметь частоту сердечных сокращений около 40 ударов в минуту и не испытывать никаких проблем.

Как проверить свой пульс

Когда сердце проталкивает кровь по артериям, вы чувствуете удары, сильно нажимая на артерии, расположенные близко к поверхности кожи в определенных точках тела. Пульс можно найти сбоку на шее, на внутренней стороне локтя или на запястье. Для большинства людей проще всего измерить пульс на запястье. Если вы используете нижнюю часть шеи, убедитесь, что не нажимаете слишком сильно, и никогда не нажимайте одновременно на обе стороны нижней части шеи, чтобы не блокировать приток крови к мозгу. При измерении пульса:

Кончиками первого и второго пальцев сильно, но осторожно нажимайте на артерии, пока не почувствуете пульс.
Начать подсчет пульса, когда секундная стрелка часов находится на 12-м.
Подсчитайте свой пульс в течение 60 секунд (или в течение 15 секунд, а затем умножьте на четыре, чтобы рассчитать количество ударов в минуту).
При счете не смотрите постоянно на часы, а концентрируйтесь на ударах пульса.
Если вы не уверены в своих результатах, попросите другого человека посчитать вместо вас.

Если ваш врач поручил вам проверить собственный пульс, а вы не можете его найти, обратитесь к врачу или медсестре за дополнительными инструкциями.

Какова частота дыхания?

Частота дыхания — это количество вдохов, которые человек делает в минуту. Частота обычно измеряется, когда человек находится в состоянии покоя, и просто включает подсчет количества вдохов в течение одной минуты путем подсчета того, сколько раз поднимается грудная клетка. Частота дыхания может увеличиваться при лихорадке, болезни и других заболеваниях. При проверке дыхания важно также отметить, есть ли у человека трудности с дыханием.

Нормальная частота дыхания взрослого человека в состоянии покоя составляет от 12 до 16 вдохов в минуту.

Что такое кровяное давление?

Артериальное давление – это сила давления крови на стенки артерий во время сокращения и расслабления сердца. Каждый раз, когда сердце бьется, оно перекачивает кровь в артерии, что приводит к самому высокому кровяному давлению, когда сердце сокращается. Когда сердце расслабляется, кровяное давление падает.

При измерении артериального давления записываются два числа. Более высокое число, или систолическое давление, относится к давлению внутри артерии, когда сердце сокращается и перекачивает кровь через тело. Нижнее число, или диастолическое давление, относится к давлению внутри артерии, когда сердце находится в состоянии покоя и наполняется кровью. И систолическое, и диастолическое давление записывают как «мм рт. ст.» (миллиметры ртутного столба). Эта запись показывает, насколько высоко поднимается ртутный столбик в старомодном ручном приборе для измерения артериального давления (так называемом ртутном манометре или сфигмоманометре) под действием давления крови. Сегодня ваш врач, скорее всего, будет использовать для этого измерения простой циферблат.

Высокое кровяное давление или гипертония напрямую увеличивает риск сердечного приступа, сердечной недостаточности и инсульта. При высоком кровяном давлении артерии могут иметь повышенное сопротивление потоку крови, заставляя сердце работать сильнее, чтобы циркулировать кровь.

Артериальное давление классифицируется как нормальное, повышенное или 1-я или 2-я стадия высокого кровяного давления:

Нормальное артериальное давление систолическое менее 120 и диастолическое менее 80 (120/80)
Повышенное артериальное давление систолическое от 120 до 129 и диастолическое менее 80
Стадия 1 высокое кровяное давление систолическое от 130 до 139 или диастолическое от 80 до 89
Стадия 2 высокое кровяное давление, когда систолическое 140 или выше или диастолическое 90 или выше

Эти номера следует использовать только в качестве ориентира. Однократное измерение артериального давления выше нормы не обязательно указывает на наличие проблемы. Ваш врач захочет провести несколько измерений артериального давления в течение нескольких дней или недель, прежде чем поставить диагноз высокого кровяного давления и начать лечение. Спросите у своего поставщика медицинских услуг, когда следует связаться с ним или с ней, если показания вашего артериального давления не находятся в пределах нормы.

Зачем мне контролировать артериальное давление дома?

Для людей с гипертонией домашний мониторинг позволяет вашему врачу отслеживать, насколько меняется ваше артериальное давление в течение дня и изо дня в день. Это также может помочь вашему врачу определить, насколько эффективно действует ваше лекарство от артериального давления.

Какое специальное оборудование необходимо для измерения артериального давления?

Для измерения артериального давления можно использовать либо анероидный монитор с циферблатным индикатором, показания которого можно считывать, глядя на стрелку, либо цифровой монитор, в котором показания артериального давления мигают на маленьком экране.

О мониторе-анероиде

Монитор-анероид дешевле цифрового монитора. Манжету надувают вручную, сжимая резиновую грушу. Некоторые устройства даже имеют специальную функцию, облегчающую надевание манжеты одной рукой. Однако устройство может быть легко повреждено и станет менее точным. Поскольку человек, использующий его, должен прослушивать сердцебиение с помощью стетоскопа, он может не подходить для людей с нарушениями слуха.

О цифровом мониторе

Цифровой монитор работает автоматически, измерения отображаются на маленьком экране. Поскольку записи легко читаются, это самое популярное устройство для измерения артериального давления. Он также проще в использовании, чем анероид, и, поскольку нет необходимости прослушивать сердцебиение через стетоскоп, это хороший прибор для пациентов с нарушениями слуха. Одним из недостатков является то, что движение тела или нерегулярный сердечный ритм могут повлиять на точность. Эти устройства также дороже, чем анероидные мониторы.

О тонометрах для измерения артериального давления на пальцах и запястьях

Испытания показали, что устройства для измерения артериального давления на пальцах и/или запястьях не так точны при измерении артериального давления, как другие типы тонометров. Кроме того, они дороже других мониторов.

Перед измерением артериального давления:

Американская кардиологическая ассоциация рекомендует следующие рекомендации по домашнему мониторингу артериального давления:

Не курите и не пейте кофе в течение 30 минут до измерения артериального давления.
Сходить в туалет перед тестом.
Расслабьтесь в течение 5 минут перед измерением.
Сядьте с опорой на спину (не садитесь на кушетку или мягкий стул). Держите ноги на полу не скрещенными. Положите руку на твердую плоскую поверхность (например, на стол) так, чтобы верхняя часть руки находилась на уровне сердца. Поместите середину манжеты прямо над сгибом локтя. См. иллюстрацию в руководстве по эксплуатации монитора.
Сделайте несколько показаний. При измерении сделайте от 2 до 3 показаний с интервалом в одну минуту и запишите все результаты.
Измеряйте кровяное давление каждый день в одно и то же время или по рекомендации вашего лечащего врача.
Запишите дату, время и показания артериального давления.
Возьмите запись с собой на следующий прием к врачу. Если ваш тонометр имеет встроенную память, просто возьмите его с собой на следующий прием.
Позвоните своему провайдеру, если у вас несколько высоких показателей. Не пугайтесь одного высокого показателя артериального давления, но если вы получите несколько высоких показателей, обратитесь к своему лечащему врачу.
Когда артериальное давление достигает систолического (верхнее число) 180 или выше ИЛИ диастолического (нижнее число) 110 или выше, обратитесь за неотложной медицинской помощью.

Попросите своего врача или другого медицинского работника научить вас правильно пользоваться тонометром. Регулярно проверяйте точность монитора, взяв его с собой в кабинет врача. Также важно убедиться, что трубка не перекручена, когда вы ее храните, и держите ее подальше от источников тепла, чтобы предотвратить трещины и утечки.

Правильное использование тонометра поможет вам и вашему врачу в контроле артериального давления.

Физиология, пульсовое давление – StatPearls

Трэвис Д. Хоман; Стивен Дж. Бордес; Эрика Циховски.

Информация об авторе и организациях

Последнее обновление: 12 июля 2022 г.

Введение

Пульсовое давление — это разница между систолическим и диастолическим артериальным давлением.[1][2][3]

Систолическое артериальное давление определяется как максимальное давление в аорте, когда сердце сокращается и выбрасывает кровь в аорту из левого желудочка (примерно 120 мм рт. ст.). Диастолическое артериальное давление – это минимальное давление в аорте, когда сердце расслабляется перед выбросом крови в аорту из левого желудочка (примерно 80 мм рт. ст.). Таким образом, нормальное пульсовое давление составляет примерно 40 мм рт.ст.

Изменение пульсового давления (дельта Pp) пропорционально изменению объема (дельта-V), но обратно пропорционально податливости артерий (С):

Поскольку изменение объема связано с ударным объемом крови, выбрасываемой слева желудочка (SV), мы можем аппроксимировать пульсовое давление как:

Pp = SV/C

Нормальный молодой взрослый человек в состоянии покоя имеет ударный объем примерно 80 мл. Артериальная растяжимость составляет приблизительно 2 мл/мм рт. ст., что подтверждает, что нормальное пульсовое давление составляет приблизительно 40 мм рт. ст.

Растяжимость артерий равна изменению объема (Delta V) при заданном изменении давления (Delta P):

C = Delta V/Delta P

Поскольку аорта является наиболее растяжимой часть артериальной системы человека, пульсовое давление является самым низким. Податливость прогрессивно снижается, пока не достигнет минимума в бедренной и подкожной артериях, а затем снова начинает увеличиваться. Эта концепция требует понимания влияния отражения волны давления на усиление аортального давления и, следовательно, пульсового давления. Это явление в основном возникает в нижней части тела, особенно в нижних конечностях, где волны давления отражаются назад из-за разветвления сосудов, и сосуды менее податливы (жестче). Когда отраженная волна находится в фазе с прямой волной, она генерирует волну с более высокой амплитуда. Аналогия здесь — волны, отскакивающие от дамбы и взаимодействующие с набегающей волной. Если они совпадают по фазе, высота волны больше.

Пульсовое давление, составляющее менее 25% систолического давления, является неадекватно низким или суженным, в то время как пульсовое давление выше 100 является высоким или расширенным.

Сотовый уровень

Артерии — это выносящие сосуды, отходящие от сердца. Они выстланы эндотелиальными клетками и состоят из трех разных слоев, которые показаны на рисунке ниже. Самый внутренний слой, tunica intima, состоит в основном из эндотелиального слоя, субэндотелиального слоя и внутренней эластической пластинки. Средний слой, также называемый tunica media, имеет концентрические слои спирально расположенных гладкомышечных клеток, а также различное количество эластических и ретикулярных волокон и протеогликанов. Некоторые из более крупных артерий также содержат наружную эластическую пластинку. Наконец, адвентициальная оболочка, также называемая наружной оболочкой, представляет собой самый внешний слой, состоящий из продольно ориентированных волокон коллагена I типа.

В организме человека есть два основных типа артерий. Первая, более заметная из двух, — это мышечная артерия. Мышечные артерии имеют тонкий интимальный слой с хорошо развитой внутренней эластической пластинкой. У них также есть мышечная стенка, толщина которой может достигать сорока слоев. Основная функция этих артерий заключается в регулировании кровотока посредством регулировки калибра кровеносных сосудов. Другим основным типом артерии является эластичная артерия. Эластические артерии уникальны, так как они имеют эластические волокна, расположенные между гладкомышечными клетками интимы оболочки, что позволяет эластичным артериям накапливать кинетическую энергию для сглаживания скачка артериального давления, возникающего во время систолы, известного как эффект Виндкесселя.

Патофизиология

Повышение пульсового давления может наблюдаться у хорошо подготовленных бегунов на выносливость. По мере того, как он или она продолжает тренироваться, систолическое давление будет постепенно увеличиваться из-за увеличения ударного объема и сердечного выброса. Диастолическое давление, наоборот, будет непрерывно снижаться за счет снижения общего периферического сопротивления. Этот эффект обусловлен накоплением красной (медленно сокращающейся) мышечной ткани в артериолах вместо белой (быстро сокращающейся) ткани. В результате пульсовое давление будет увеличиваться; это также может происходить у людей с большим количеством мышечной массы.

Старение влияет на пульсовое давление и растяжимость артерий. С возрастом происходит снижение эластичности крупных артерий. Это изменение связано со структурными молекулярными изменениями в артериальной стенке, включая снижение содержания эластина, повышенное отложение коллагена I и кальцификацию, что увеличивает жесткость стенки. Этот процесс часто описывают как «затвердевание артерий». Когда левый желудочек сокращается против более жестких и менее податливых артерий, систолическое и диастолическое давление увеличиваются, что может привести к расширению пульсового давления. В ответ левый желудочек склонен к гипертрофии. Когда избыточное пульсовое давление передается через систему микроциркуляции жизненно важных органов, таких как мозг и почки, обычно происходит обширное повреждение тканей.[8]

Расширение (или увеличение) пульсового давления наблюдается при некоторых заболеваниях, включая аортальную регургитацию, аортальный склероз (оба заболевания сердечных клапанов), тяжелую железодефицитную анемию (снижение вязкости крови), атеросклероз (менее эластичные артерии) и гипертиреоз (повышенное систолическое давление). давление). В большинстве этих случаев систолическое давление повышается, в то время как диастолическое давление остается близким к норме. При аортальной регургитации недостаточность аортального клапана приводит к обратному или регургитационному току крови из аорты обратно в левый желудочек, так что кровь, выбрасываемая во время систолы, возвращается во время диастолы. Это состояние приводит к повышению систолического давления и снижению диастолического давления, что приводит к увеличению пульсового давления. При аортальном стенозе происходит сужение аортального клапана, что препятствует выбросу крови из левого желудочка в аорту, что приводит к уменьшению ударного объема и последующему снижению пульсового давления.

Узкое пульсовое давление возникает при некоторых заболеваниях, таких как сердечная недостаточность (снижение насосной функции), кровопотеря (снижение объема крови), аортальный стеноз (снижение ударного объема) и тампонада сердца (снижение времени наполнения). В большинстве этих случаев систолическое давление снижается, а диастолическое давление остается близким к норме.

Клиническая значимость

Исследование, проведенное Blacher et al. показало, что пульсовое давление является значительным фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Было даже показано, что оно является более определяющим фактором, чем среднее артериальное давление, которое представляет собой среднее кровяное давление, которое пациент испытывает за один сердечный цикл. Фактически, увеличение пульсового давления всего на 10 мм рт. ст. увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний на целых 20%. Этот вывод был последовательным как в европеоидной, так и в азиатской популяции.[9]

Пульсовое давление также независимо связано с повышенным риском развития мерцательной аритмии. Исследование, проведенное Митчелл и соавт. показали, что у пациентов с пульсовым давлением 40 мм рт.ст. или ниже фибрилляция предсердий развивалась с частотой 5,6%, тогда как у пациентов с пульсовым давлением выше 61 мм рт.ст. фибрилляция предсердий развивалась с частотой 23,3%. Фактически, на каждые 20 мм рт. ст. повышения пульсового давления скорректированный коэффициент риска развития мерцательной аритмии составляет 1,28. Этот риск не зависит от среднего артериального давления.[10]

Другие исследования были направлены на поддержание нормального пульсового давления. Одним из наиболее эффективных способов сделать это является увеличение податливости артерий. По словам Thorin-Trescases et al., аэробные упражнения на выносливость являются единственным вмешательством, которое, как было показано, помогает смягчить возрастную жесткость артерий за счет уменьшения возрастного увеличения коллагена I и III и кальцификации. Этих же преимуществ не наблюдалось при тренировках с отягощениями, таких как жим лежа, поскольку это снижает податливость артерий и увеличивает пульсовое давление.[11]

В дополнение к аэробным упражнениям Rajkumar et al. продемонстрировали, что можно также повысить податливость артерий за счет увеличения количества соединений эстрогена (например, при заместительной гормональной терапии у женщин в постменопаузе), увеличения потребления жирных кислот n-3 и снижения потребления соли. Имеются также некоторые данные, подтверждающие мнение о том, что ингибиторы АПФ благотворно влияют на стенки артерий и могут быть полезны [12].

Сужение пульсового давления наблюдается при дизавтономии/синдроме постуральной ортостатической тахикардии (POTS). У некоторых пациентов пульсовое давление падает до 0 в положении стоя. Они стоят без пульса, и многие не могут стоять, что вызывает чрезвычайно высокую заболеваемость. Обычные безрецептурные меры не помогают большинству этих пациентов.

Контрольные вопросы

Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.
Комментарий к этой статье.

Ссылки

1.: Doherty TM, Hu A, Salik I. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 28 апреля 2022 г. Физиология новорожденных. [PubMed: 30969662]
2.: Кэмпбелл М., Султан А., Шамуэй К.Р., Пилларисетти Л.С. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 7 сентября 2022 г. Физиология, пролив Короткова. [В паблике: 30969600]
3.: Леванович П.Е., Дьячок А., Росси Н.Ф. Клинические и молекулярные перспективы моногенной гипертензии. Curr Hypertens Rev. 2020;16(2):91-107. [Бесплатная статья PMC: PMC7499356] [PubMed: 30963979]
4.: Икбал А.М., Джамал С.Ф. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 4 июля 2022 г. Эссенциальная гипертензия. [PubMed: 30969681]
5.: Taylor BN, Cassagnol M. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 11 июля 2022 г. Альфа-адренорецепторы. [В паблике: 30969652]
6.: Tackling G, Borhade MB. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 27 июня 2022 г. Гипертоническая болезнь сердца. [PubMed: 30969622]
7.: Рего М.Л., Кабрал Д.А., Коста Э. К., Фонтес Э.Б. Физические упражнения для людей с гипертонией: пришло время подчеркнуть их пользу для мозга и познания. Clin Med Insights Cardiol. 2019;13:1179546819839411. [Бесплатная статья PMC: PMC6444761] [PubMed: 30967748]
8.: Аволио А.П., Кузнецова Т., Хейндрикс Г.Р., Керкхоф ПЛМ, Ли Дж.К. Артериальный кровоток, пульсовое давление и скорость пульсовой волны у мужчин и женщин в разном возрасте. Adv Exp Med Biol. 2018;1065:153-168. [PubMed: 30051383]
9.: Блахер Дж., Эванс А., Арвейлер Д., Амуйель П., Ферьер Дж., Бингхэм А., Ярнелл Дж., Хаас Б., Монтай М., Руйдавец Дж. Б., Дюсиметьер П., PRIME Study Group . Остаточный сердечно-сосудистый риск при лечении гипертонии и гиперлипидемии: исследование PRIME. Дж. Гум Гипертенс. 2010 янв;24(1):19-26. [PubMed: 19474798]
10.: Anstey DE, Moise N, Kronish I, Abdalla M. Маскированная гипертензия: кого и как обследовать? Curr Hypertens Rep. 2019 Apr 04;21(4):26.

Импульсный блок питания или линейный