Zasada działania zasilaczy komputerów IBM/PC

1. Urządzenia techniki komputerowejIdentyfikowanie i charakteryzowanie jednostki centralnej komputera Zasada działania zasilaczy komputerów IBM/PC

2. Cel zajęć W toku lekcji nauczysz się: • opisywać podstawowe cechy i zastosowania zasilaczy komputerów IBM/PC

3. Agenda • Zasada działania zasilaczy komputerów IBM/PC

4. Zasilacz komputera

5. Zasilacz komputera • urządzenie, które służy do przetwarzania napięcia zmiennego dostarczanego z sieci energetycznej (100-127V w Ameryce Północnej, części Ameryki Południowej, Japonii i Tajwanie, 220-240V w pozostałej części świata) na niskie napięcia stałe, niezbędne do pracy pozostałych komponentów komputera. Niektóre zasilacze posiadają przełącznik zmieniający napięcie wejściowe pomiędzy 230V i 115V, inne automatycznie dopasowują się do dowolnego napięcia z tego zakresu. • Najczęściej spotykane są dostosowane do standardu ATX. Włączanie i wyłączenie zasilacza jest sterowane przez płytę główną, co daje wsparcie dla funkcji takich jak tryb czuwania. • Uwaga, niektórzy producenci, zwłaszcza Compaq i Dell, stosują zasilacze z gniazdami typowymi dla ATX, ale o innych napięciach i zmienionej kolejności pinów. Łączenie takich zasilaczy z płytami ATX może prowadzić do uszkodzenia płyty bądź zasilacza.

6. Funkcje zasilacza • Prostowanie – zamiana prądu przemiennego na prąd stały. • Transformacja napięcia. • Filtrowanie, czyli wygładzanie szumów i tętnień napięcia. • Regulacja, czyli kontrola napięcia wyjściowego i utrzymywanie stałej jego wartości niezależnie od linii, obciążenia i zmian temperatury. • Izolacja, czyli elektryczne rozdzielenie wyjścia od napięcia zasilającego na wejściu. • Ochrona, czyli zapobieganie by niebezpiecznie ostre piki napięcia i prądu nie docierały do wyjścia, zapewnianie podtrzymania pracy, lub bezpiecznego wyłączenia podczas zaniku prądu.

7. Zasilacze liniowe • Zasilacze liniowe obniżają wejściowe napięcie prądu przemiennego poprzez transformator (na przykład 230VAC, obniżane jest do 48VAC). • Następnie napięcie jest prostowane poprzez układ prostowniczy, który jest czterema diodami w układzie Graetza. • Zaraz za nimi mamy kondensatory, których zadaniem jest zachowanie stałego poziomu napięcia prądu stałego (wypełnienie spadków w górnym przebiegu prądu).

8. Zasilacze liniowe • Podstawową wadą tego zasilacza jest jego słaba sprawność

9. Zasilacze impulsowe • Wszystkie nowoczesne komputery używają zasilaczy impulsowych (ang.switching power supply). • Zasilacz impulsowy działa na zasadzie kontroli średniego napięcia dostarczanego do obciążenia. • Odbywa się to poprzez otwieranie i zamykanie przełącznika (zazwyczaj tranzystora polowego wysokiej mocy) z wysoką częstotliwością. System ten znany jest pod nazwą modulacji szerokości impulsu (ang. Pulse Width Modulation – PWM).

10. idea działania PWM • V - napięcie, T - okres, t(wł) - czas trwania impulsu, o - wyście, i - wejście. • Vo(śr) - średnie napięcie podawane do obciążenia (Wzór: Vo(śr) = (t(wł)/T) x Vi).

11. Zasada działania • Pobranie prądu przemiennego o napięciu ~230V z sieci energetycznej. • Prostowanie prądu za pomocą mostka Graetza (mostek wysokiego napięcia i niskiego prądu), oraz kondensatorów. • Eliminowanie szumów prądu przemiennego • Korekcja współczynnika mocy (układ aktywnego, lub pasywnego PFC). • Wygładzanie napięcia (przez parę dużych kondensatorów). • Zmodulowanie napięcia przez tranzystor bipolarny.

12. Zasilacze impulsowe

13. Porównanie zasilaczy Zasilacze liniowe: • Wymagają ogromnych transformatorów, zasilacze liniowe są generalnie ciężkie (dla zasilacza z wyjściem 16V, na każdy amper przypada około 0,5kg masy). • Ponieważ tranzystory mocy działają w zakresie liniowym i cały prąd na wyjściu musi przez niego przejść wymaga on dużych radiatorów aby rozproszyć straty energii • Sprawność konwersji mocy na poziomie 50% Zasilacze impulsowe: • Wysoki koszt produkcji w porównaniu do zasilaczy liniowych • Lżejsze i mniejsze od zasilaczy liniowych • Sprawność zasilaczy impulsowych dochodzi nawet do 90%

14. Porównanie zasilaczy

15. Zasada działania zasilacza ATX • Prąd przemienny podawany jest do zasilacza • przechodzi przez warystor (główne zabezpieczenie przed przepięciami), • kilka filtrów (aby usunąć szumy), • bezpiecznik (który stanowi najważniejsze zabezpieczenie zasilacza) • i pierwszy mostek prostowniczy • przechodzi do dwóch dużych kondensatorów, które pełnią rolę bufora, i dbają o to aby wychodzące z nich napięcie było wygładzone przed podaniem do tranzystorów polowych (MOSFET).

16. Zasada działania zasilacza ATX

17. Schemat ideowy zasilacza ATX (stopień wej.) • sprawdź schemat

18. co się dzieje • wykresy ilustrują, co dzieje się z napięciem przy przechodzeniu przez pierwszy stopień zasilacza

19. co się dzieje • następnie układ PWM zamienia prąd na impulsy wysokiej częstotliwości (rząd kHz) o szerokości uzależnionej od obciążenia poprzez tranzystory polowe wysokiej mocy, w zależności od mocy zasilacza są dwa lub więcej tranzystorów połączonych równolegle, zachowujących się jak jeden, duży tranzystor (daje to większą pojemność obciążenia) • następnie tranzystory polowe (wyłączane i włączane z wysoką częstotliwością przez układ PWM) dostarczają moc do pierwotnych uzwojeń transformatorów

20. co się dzieje

21. co się dzieje • wszystkie napięcia wyjściowe mają swój początek po wtórnej stronie transformatora, • po czym zostają oczyszczone przez zestaw podwójnych diod Schotkiego, (główną zaletą użycia mostków Schotkiego jest bardzo niski spadek napięcia, oraz czas przełączania bliski zeru (pracują bardzo szybko), dzięki temu idealnie nadają się one na układy wyjściowe zasilaczy komputerowych) • po wyprostowaniu napięcie kierowane jest poprzez różne filtry prądu stałego (pierścienie z owiniętym wokół nich drutem) które działają wraz z kondensatorami, aby ostatecznie przefiltrować napięcie z pozostałości zanieczyszczeń prądu zmiennego

22. co się dzieje

23. Budowa • Większość zasilaczy wykonana jest w postaci metalowego prostopadłościanu, z którego ścianki wychodzi kilka wiązek przewodów. Po przeciwnej stronie znajdują się otwory wentylacyjne i gniazdo IEC C14, do podłączenia zasilania z sieci energetycznej. • Opcjonalnie może tam być też umieszczony wyłącznik i przełącznik napięcia wejściowego. • Etykietka umieszczona na boku zasilacza zawiera informacje dotyczące maksymalnej mocy wyjściowej i certyfikatów. • Najbardziej popularne oznaczenia bezpieczeństwa to znak UL, znak GS, TÜV, NEMKO, SEMKO, DEMKO, FIMKO, CCC, CSA, VDE, GOST R i BSMI. • Oznaczenia dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej to znak CE, FCC i C-Tick. • Oznaczenie CE jest wymagane dla zasilaczy sprzedawanych w Europie i Indiach. Norma Unii Europejskiej EN61000-3-2 wymaga aby każdy zasilacz wyposażony był w układ PFC (Power Factor Correction).

24. PFC (Power Factor Correction) • PFC (ang. Power Factor Correction) – układ korekcji współczynnika mocy. • Układ PFC jest stosowany w zasilaczach sieciowych, między innymi w zasilaczach komputerowych. Koryguje on przesunięcie fazowe między prądem i napięciem wejściowym, zwiększając wartość współczynnik mocy.

25. Rodzaje PFC • Wyróżnia się dwa rodzaje układów PFC: aktywne i pasywne. • Układy aktywnego PFC (ang. Active PFC, APFC) są to wyspecjalizowane obwody elektroniczne, które dostosowują się do obciążenia i do warunków w sieci elektrycznej, przez co są w stanie korygować przesunięcie fazowe w sposób wydajny niezależnie od warunków pracy zasilacza. Zasilacze wyposażone w aktywny układ PFC osiągają współczynnik mocy z przedziału 0,95-0,99. • Układy pasywnego PFC (ang. Passive PFC, PPFC) są projektowane dla domyślnego, stałego obciążenia. Często składają się po prostu z cewki o dużej indukcyjności. Ich skuteczność zmniejsza się w wypadku, gdy zasilane urządzenie wymaga dynamicznych zmian pobieranej mocy, lub jej pobór znacząco różni się od przewidzianej dla zasilacza wartości domyślnej. Zasilacze z pasywnym układem PFC uzyskują współczynnik mocy w granicach 0,8-0,95.

26. Budowa • Rozmiary zasilacza ATX to: szerokość 150 mm, wysokość 86 mm, a głębokość typowo 140 mm, choć może różnić się w zależności od producenta. • W zasilaczach stosowane jest chłodzenie wymuszone - najczęściej przez wentylator o średnicy 80 mm. Przez zasilacz przepływa gorące powietrze z wnętrza obudowy komputera, w związku z tym stosuje się wentylatory o większej wydajności niż wymagana do utrzymania stałej temperatury w samym zasilaczu. Wentylator jest głównym źródłem hałasu generowanego przez zasilacz, choć przy dużych obciążeniach może pojawić się brzęczenie generowane przez cewki. • Zasilacze komputerowe wykonane są zwykle w technice impulsowej, wykorzystując architekturę przetwornicy push-pull. Tego typu zasilacze charakteryzują się małymi gabarytami i ciężarem, niewielkimi tętnieniami napięcia wyjściowego i dużą mocą wyjściową.

27. Wtyczki stosowane w zasilaczach ATX

28. MPC oznaczana jako P1

29. MPC oznaczana jako P1 • Główna wtyczka zasilacza ATX podłączana do płyty głównej (w starszych zasilaczach AT wtyczka była podzielona na dwie oznaczone P8 i P9). Obecny standard ATX przewiduje 24 piny. Część zasilaczy jest wyposażonych w złącze 24-pinowe, które można rozłączyć na dwie części (20+4 piny) i wykorzystać ze starszymi płytami o gnieździe 20-pinowym. Niektóre zasilacze ATX posiadają dwie wtyczki - 20-pinową i 4-pinową, które można podłączyć jednocześnie do gniazda 24-pinowego.

30. schemat złącza zasilacza ATX • Złącze 20 - pinowe

31. schemat złącza zasilacza ATX • Złącze 24 - pinowe

32. schemat złącza zasilacza ATX • Złącze 24 - pinowe

33. ATX12V / EPS12V (4-pin), oznaczana P4 • Druga wtyczka podłączana do płyty głównej (poza 24-pinową P1), dostarczająca napięcia zasilające dla procesora. Pojawiła się z powodu wymagań prądowych procesorów firmy Intel.

34. ATX12V 4-pin a moduł złącza ATX12V 24-pin • Zdjęcie poniżej ilustruje różnicę pomiędzy złączem ATX12V 4-pin, a dodatkowym modułem złącza ATX12V 24-pin. Pomylenie tych dwu złączy grozi uszkodzeniem płyty i zasilacza.

35. ATX12V / EPS12V (8-pin) • Rozszerzona wersja wtyczki ATX12V/ESP12V 4-pin, która pojawiła się wraz z wprowadzeniem chipsetu Intel 975. Stosowane w płytach serwerowych i komputerach profesjonalnych, których procesory pobierają większą moc.

36. PCI-E • Wtyczka zasilająca karty graficzne. Większość zasilaczy jest wyposażone w 6-pinowe złącze przeznaczone dla kart graficznych PCI Express. Może ono dostarczyć do 75 watów mocy. • Złącze 8-pinowe. • Ze względu na kompatybilność wstecz stosuje się także złącza 6+2 piny, co pozwala zasilać karty PCI Express z gniazdami zarówno 6 jak i 8-pinowymi.

37. PCI-E

38. AUX lub APC (Auxiliary Power Connector) • Używana w starszych płytach głównych, które potrzebowały napięć 3,3 V i 5 V o większym natężeniu prądu. Konieczność jej podłączenia była zależna od konfiguracji sprzętowej komputera. Usunięta w ATX v2.2.

39. Molex • wykorzystywany do zasilania dysków twardych i optyczne typu ATA, dodatkowych elementów płyty głównej, kart graficznych i wielu innych urządzeń (np. interfejsów FireWire 800 w postaci kart PCI). Dostarcza napięć +5V i +12V. • wypierają je wtyki SATA i PCI-E.

40. Molex mini • Wtyk zasilający stacje dyskietek. W niektórych przypadkach dostarcza też dodatkową moc do kart wideo AGP.

41. SATA Connector • Wtyczka o 15 pinach zasilająca dyski twarde i optyczne standardu Serial ATA. Dostarcza trzech napięć: +3,3V, +5V i +12V.

42. SATA Connector • Wtyczka o 15 pinach zasilająca dyski twarde i optyczne standardu Serial ATA. Dostarcza trzech napięć: +3,3V, +5V i +12V.

43. Złącze P8/P9 w standardzie AT • zasilanie było podłączane do płyty głównej za pomocą dwóch identycznych złączy.

44. Złącze P8/P9 w standardzie AT • Umieszczenie dwóch identycznych złączy w nieprawidłowej kolejności powoduje uszkodzenie sprzętu, dlatego trzeba pamiętać, że przewody masy muszą znajdować się obok siebie.

45. różnice pomiędzy zasilaczami AT i ATX • kształt złącz, które dostarczają napięcia do płyty głównej • układ załączania zasilacza. W zasilaczach AT włącznik komputera był podłączany bezpośrednio do zasilacza. W zasilaczach ATX włącznik komputera jest podłączony do płyty głównej poprzez złącze oznaczone PS ON, SW Power lub podobnie. Dzięki temu włączanie i wyłączanie zasilacza może być kontrolowane przez komponenty komputera lub oprogramowanie. Płyta główna steruje zasilaczem poprzez pin #14 złącza 20-pinowego lub pin #16 złącza 24-pinowego (zielony pin wtyczki ATX - P_ON). Kiedy zasilacz znajduje się w stanie czuwania na tym pinie występuje napięcie 5V. Zwarcie go do masy (czarny przewód wtyczki ATX - GND) uruchamia przetwornicę, co może się przydać przy testach sprzętu. Uwaga - nie należy uruchamiać zasilacza impulsowego bez obciążenia ze względu na ryzyko jego uszkodzenia. Standard ATX (Advanced Technology eXtended) jest rozwinięciem standardu AT (Advanced Technology).

46. typowe zakresy mocy zasilaczy Zasilacze komputerowe są klasyfikowane na podstawie maksymalnej mocy wyjściowej. Typowe zakresy mocy zasilaczy dla komputerów: • domowych i biurowych wynoszą od 300 W do 500 W • dla komputerów miniaturowych - poniżej 300 W • dla graczy mają moc z zakresu 500-800 W • w serwerach - od 800 W do 1500 W Zasilacze z górnej półki są w stanie oddać do 2 kW mocy - są przeznaczone głównie do dużych serwerów i w mniejszym stopniu do rozbudowanych komputerów wyposażonych w kilka procesorów, wiele dysków twardych i kilka kart graficznych.

47. graf obciążenia zasilacza 400W

48. obciążenia zasilacza • Starsze zasilacze tworzone były zgodnie z normą ATX12V v1.3 mają inaczej wyglądający graf obciążalności krzyżowej. Jest tak dlatego, że wtedy to linia +5V była najważniejsza, a +12V nie była zbytnio obciążona. Z tego względu starsze zasilacze mogą nie radzi sobie przy nowych komponentach pracujących głównie na linii +12V.

49. graf obciążenia zasilacza 400W • Obecnie najbardziej obciążana jest linia +12V, są nią zasilane procesory, karty graficzne, silniki dysków twardych, oraz napędów optycznych. • Drugą pod względem wykorzystania jest linia +3.3V, która używana jest przez komponenty takie jak pamięci, karty graficzne, karty PCI. • Linia +5V, podobnie jak kiedyś linia -5V, jest zastępowana przez pozostałe linie, jednak nadal korzysta z niej dość dużo urządzeń (na przykład USB, niektóre komponenty na płycie głównej).

50. parametry pracy zasilacza • Brak standardu określającego parametry pracy zasilacza (zarówno jeśli chodzi o maksymalną moc, jak i maksymalny prąd na danej linii) prowadzi do dużych rozbieżności pomiędzy deklaracjami producenta, a rzeczywistymi osiągami. Powszechną praktyką jest podawanie mocy maksymalnej jako sumy mocy zasilacza jego poszczególnych linii zasilających. W takim wypadku możliwe jest przeciążenie jednej z linii zasilacza, pomimo braku przekroczenia mocy deklarowanej przez producenta.