| Verze pro tisk |  |
| Informace |  |
Napájecí zdroje
Počítačový zdroj je elektrické zařízení, které mění střídavé síťové napětí 230V / 50Hz na stejnosměrné napětí, které rozděluje do několika větví. U moderních zdrojů to jsou 3,3V, 5V a 12V větve na které jsou kladeny odlišné požadavky podle daných specifikací.
Formát AT (Advanced Technology)
Byl standardizován firmou IBM již v roce 1984 a je považován za první moderní specifikaci, určující rozměry základní desky, její výstupy a také specifikaci napájecích zdrojů. Zdroje AT měly dva hlavní šestipinové konektory a dvě napájecí větve 5V a 12V.
Tato koncepce však nebyla připravená na softwarové zapínání, neboť vypínačem se odpojil zdroj přímo od sítě. Formát AT se markantněji rozšířil až v devadesátých letech, ale už od roku 1997 jej začal vytlačovat formát ATX.
Formát ATX (Advanced Technology Extended)
Jako náhrada za AT byl vymyšlen v roce 1995 koncept ATX, za kterým stojí firma Intel. Kromě designu základních desek a počítačových skříní upravoval také specifikace napájecích zdrojů. Ty kromě napětí 5V a 12V, začaly dodávat i napětí 3.3V, důležité pro grafické karty osazené ve slotu AGP. Také byl vytvořen princip softwarového zapínání. Zdroj má v podstatě tři stavy - zapnuto se všemi napěťovými okruhy v chodu, vypnuto (lze zařídit pouze vypínačem nebo vyndáním kabelu ze zásuvky) a stand-by s omezeným příkonem pro napětí 5V - toto je označeno jako 5Vsb a slouží k přepnutí do stavu zapnuto. Zapnutí se provádí spojením pinu PS_ON# se zemí na hlavním Main Power konektoru a toto zapnutí vždy provádí základní deska, ať už na základě stisknutí tlačítka na skříní počítače nebo přes Wake-up funkci síťové karty, případně přes USB zařízení.
Formát ATX12V
Na začátku roku 2000 (mimochodem tři čtvrtě roku před uvedením Pentia 4), byl vytvořen další standard - ATX12V. Ten ve specifikaci 1.0 navazuje na předchozí ATX 2.03, ovšem už obohacený o 12V Power konektor a tvrdší specifikace 12V větve, k úpravě konstrukce základních desek či jiným konstrukčním změnám nedošlo. 12V větev se dostala do popředí především kvůli lepší možnosti přenášet větší výkony oproti 5V větvi se stejným průměrem vodičů a udržením rušení v přijatelných mezích.
Procesory začínající řadou Pentium 4 a z něj odvozených Celeronů, vyžadují zapojení 12V Power konektoru, ze kterého jsou napájeny napěťové regulátory zakladních desek, které vytváří napětí pro procesor. U novějších Athlonů XP a výše není zapojení tohoto konektoru povinností, je však vřele doporučováno.
Pozor, někteří výrobci "vtipně" nabízí vyvedení konektoru 12V Power přes redukci z jiných konektorů. Takové řešení rozhodně není doporučeno používat! Stejně zvrhlé jsou i "nápady" některých výrobců základních desek, kteří umožňují nahrazení 12V Power konektoru například konektorem na pevné disky - tento nepoužívejte, klasický ATX zdroj není koncipován na zatížení 12V větve kladené na zdroje ATX12V.
Formát ATX12V vycházel v několika revizích z nichž nejpodstatnější změny přinesla až specifikace ATX12V 2.0 (únor 2003). Kromě změny výkonových doporučení a zvýšení minimální účinnosti přinesla tato specifikace rozdělení 12V větví, změnu z 20pin na 24 pinový Main Power konektor, zrušení Aux Power konektoru a přidání Seriál ATA konektoru.
Formát BTX (Balanced Technology Extended)
Tento formát nepřinesl žádné změny napájecích zdrojů (používány byly nadále ATX12V), podstatné inovace se týkaly změny referenčního designu základních desek a rozmístění komponent ve skříni.
Ostaní formáty
Jelikož na bezchybném chodu zdroje závisí stabilita celé sestavy, používají se především pro serverové řešení redundantní zdroje. Ty jsou umístěny ve speciálním šasi do kterého se zasunují nejčastěji dva zdroje, z nichž v normálním režimu pracuje pouze jeden a v případě poruchy zastane jeho práci zdroj druhý. Jednotlivé zdroje jsou konstruovány jako hotswap zařízení a mohou být vyměňovány za chodu.
Nezanedbávejte formáty
Při vývoji formátů od ATX 1.0 do ATX12V 2.2 se několikrát změnily specifikace doporučených výkonů na jednotlivých větvích. U 300 W zdroje standardu ATX 2.03 byla třeba silná +5V větev, která v té době napájela procesory. U zdrojů ATX12V 1.3 je na úkor +5 V větve, kvůli změně napájení procesorů, posílena větev +12V, na které se lépe přenášejí velké výkony. Stále je zde však přítomná silná +3,3V větev kvůli slotu AGP. Zdroje ATX12V 2.0 mají opět silnější +12V větev, která byla rozdělena rovnou na dvě části - především kvůli příchodu PCI Express slotu, ze kterého lze odebírat až 75 W z +12 V. Ve specifikacích ATX12V 2.1 byly jmenovité hodnoty proudů ještě upraveny.
Pokud by tedy nastala situace že při upgradu počítače vyměníte procesor, základní desku a grafiku za novou a ponecháte starou skříň se zdrojem, riskujete přinejmenším nestabilitu systému. Nehledě na to že starý zdroj mohl mít 400 W ale proudy dodávané v jednotlivých větvích mohou byt rozděleny zcela neadekvátně. Tak například u starého počítače s Athonem XP a grafikou v AGP slotu byla vyžadována silná 5V větev která napájela procesor a 3,3V která napájí grafickou kartu, proto při upgradu systému na Core2Duo s grafikou v PCIExpres slotu nebude schopen zdroj dodat v 12V větvi požadovaný výkon a silné 3,3V a 5V věteve bude využity minimálně.
Pozorní čtenáři si jistě všimli že u nových systému začíná být 3,3V větev určená k napájení AGP slotu nevyužita. V budoucnu se tato větev neztratí. S příchodem novějších generací Serial ATA disků se počítá s napájením elektroniky právě z této větve u zakladních desek je situace podobná, čipů napájených z této větve přibývá (RAID řadiče, výkonné zvukové karty, síťové karty, firewire řadiče, komplexní čipové sady...). Počítačové zdroje směřují k trendu přenášení vysokých výkonů po 12V větvi a napájení elektroniky s minimální spotřebou z větve 3,3V, naopak silná 5V větev z dob minulých začíná být nevyužita.
Účinnost zdroje
Asi nemusím vysvětlovat že žádný zdroj (měnič) nemá účinnost 100%. Účinnost je dána poměrem činného výkonu vstupujícího do zdroje a činného výkonu vystupujícího ze zdroje. Rozdíl těchto hodnot jsou ztráty ve zdroji. Počítačové zdroje se s účinností pohybují mezi 70-90%, zbytek energie se ve zdroji přemění v teplo.
Komponenty mají spotřebu 200W, pokud uvažujeme účinnost zdroje 80% potom bude příkon celé sestavy 250W z čehož celých 50W jsou ztráty ve zdroji.
Největší ztráty vznikají na spínacích tranzistorech v důsledku nedokonalé strmosti spínacích hran, na usměrňovacích diodách a napěťových regulátorech, tyto součástky jsou opatřeny chladičem, ostatním součástkám stačí proud vzduchu vytvořený ventilátorem. Zcela pasivním zdrojům se vyhněte velkým obloukem, nejenže chlazení takového zdroje je naprosto nedostačující ale v testech při plné zátěži tyto zdroje většinou vyhořely.
Při měření účinnosti musíme brát v úvahu, že vůči elektrické síti se zdroj chová jako indukční zátěž. Proto všechna měření uváděná v testech s využitím voltmetru a ampérmetru jsou zatížena chybou v řádu desítek procent (není brán v úvahu fázový posun mezi napětím a proudem). Zdroje neobsahující korektor účiníku PFC, mají účiník kolem 0,6 a správných výsledků měření dosáhneme s použitím wattmetru.
PFC (Power Factor Correction)
Ideální stav při kterém je účiník 1 (napětí je ve fázi s proudem) v praxi bohužel nenastává. Pokud je tedy účiník 0,6, pak napětí není ve fázi s proudem a vzhledem k rozvodné síti jsou odebírány velké proudové špičky - vzniká rušení.
Pokud je spotřeba sestavy 250W a účiník zdroje je 0,6, pak ze vzorce S=P/cosφ=250/0,6 vypočteme že zdánlivý výkon sestavy je 416,67VA. Právě tímto výkonem je zatěžovaná rozvodná síť, případně zatěžován záložní zdroj.
Z výše uvedeného příkladu je patrné, že hodnota účiníku kolem 0,6 není vyhovující, nejjednodušší způsob jak hodnotu účiníku přiblížit 1 je předřadit zdroji pasivní PFC (nevyžaduje napájení). V podstatě jde o přidání tlumivky na vstup zdroje která upraví účiník na 0,7 - 0,8 a tím podstatně sníží proudové špičky odebírané zdrojem.
Především u výkonnějších zdrojů se můžete setkat s pokročilejším řešením v podobě aktivního PFC (obsahuje aktivní prvky = vyžaduje napájení). Nejjednodušší aktivní PFC se skládá z řízeného tranzistoru a cívky, realizací zapojení je však mnoho a každý výrobce si své know-how přísně tají, nejpokročilejší dosahují hodnot účiníku 0,95.
Nesnažte se ale PFC chápat jako věc která zvyšuje účinnost zdroje, PFC pouze upravuje chování (odběr proudu) vůči rozvodné síti. I když jde v každém případě o přínosnou věc, která podstatně redukuje rušení a proudové špičky v domácích rozvodech pro výrobce je to další komplikace a zdražení výroby. Pouze přísné normy EMC zavedené od roku 2001 donutily výrobce implementovat PFC do zdrojů, protože to byla nejjednodušší (nejlevnější) varianta jak přísné normy splnit.
EMC je schopnost zařízení vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiná zařízení a naopak, neovlivňovat svou vlastní činností své okolní prostředí a zařízení v něm umístěná.
Nešetřete na zdroji
Na trhu je mnoho papírově stejně výkonných zdrojů prodávaných za různé ceny. V čem se tyto zdroje liší? Asi největších úspor dosáhnou výrobci na použitých součástkách, levné kondenzátory, poddimenzované spínací tranzistory, atd… Dražší zdroje mají přidanou hodnotu například v ochraně proti přetížení, zkratu a snášejí lépe maximální zatížení. Asi to nejpodstatnější v čem se levné a drahé zdroje liší jsou parametry které výrobci neuvádí a bez osciloskopu s o nich běžní uživatelé nedoví.
- Zvlnění - výstupní napětí nebude nikdy přímka, kolísá ve velmi malém rozmezí, levné zdroje mají často velké zvlnění a tudíž ve špičkách překračují toleranci napětí.
- Tolerance napětí - u 12V větve 120mV, u 5V a 3V je tolerance 50mV.
Výběr komponent do nového počítače je otázkou priorit a příplatek 1000 Kč jen na zdroji je někdy neúnosný, ale pokud použijete nejlevnější zdroj, vždy myslete na určitou rezervu, nespoléhejte na udávané hodnoty, protože když dojde k nějaké závadě ve zdroji, tak většinou odejde společně se zdrojem i pár ostatních komponent.
Díky výrobě zdrojů ve velkých sériích a silné konkurenci jsou ceny stlačeny k hranici výrobních nákladů. Pokud uvažujete o použití počítačového zdroje k jiným účelům než je napájení PC, dostává se vám do rukou silný a především tvrdý spínaný zdroj za nízkou cenu. Pokud uvažujete o přestavbě počítačového zdroje na laboratorní zdroj, nesmíte zapomenout na několik důležitých faktorů, s nimiž nebylo kvůli koncovému určení při výrobě počítáno.
- spínané zdroje špatně snášejí nezatížený výstup. Dbejte aby větve +3,3V, +5V a +12V byly zatíženy minimálně 5W, u silnějších zdrojů alespoň 10W. Pokud tyto větve nebudou zatíženy nemůžete čekat, že výstupní napětí bude v toleranci.
- pamatujte na závislost mezi jednotlivými větvemi. Například z 3,3V větve můžete odebírat 18A a z 5V větve 22A, ale celkový výkon odebíraný z obou větví nesmí překročit 120W.
- zatímco zapínání AT zdrojů se dělo pomocí vypínače, který spojoval zdroj se sítí u ATX zdroje docílíte jeho zapnutí spojením pinu PS_ON# se zemí
Při manipulaci se zdrojem mějte na paměti, že některé obvodové části můžou být pod napětím i v případě, že je zdroj odpojen od sítě! Kondenzátory ve vstupní části zdroje mají velkou kapacitu a stejně jako u CRT monitorů se musí před manipulací nejdříve vybít.
Nezapomínejte že při jakékoliv vnitřní úpravě zdroje zasahujete do ele. zařízení, k čemuž je nutné mít vyhlášku 50/1978 Sb. Českého úřadu bezpečnosti práce a Českého báňského úřadu.
Obvodové schéma ATX zdroje
Na výše uvedeném schématu je zobrazen 200W ATX zdroj firmy DTK. Zdroj je založen na obvodu TL494 ze kterého vychází většina zdrojů o výkonu kolem 200W. Schéma je se svolením převzato ze stránky pavouk.org.
Popis funkce zdroje
INPUT FILTER
Do zdroje vstupuje střídavé, síťové napětí 230V/50Hz, které je ve vstupní části zdroje filtrováno (C1, R1, T1, C4, T5) a následně usměrněno diodovým můstekem.
PRIMARY PART
Toto napětí je dále přivedeno na kondenzátory C5 a C6, kde dosahuje hodnoty až 320V. Jelikož spínané zdroje pracují s frekvencí okolo 40kHz, slouží kondenzátory po většinu pracovní doby jako zdroj energie. Dále je napětí přivedeno na spínací tranzistory Q1 a Q2, které střídavě (jde o dvojčinný měnič) připojují napětí na primární část vinutí transformátoru.
SECONDARY PART
Na sekundárním vinutí jsou již napětí jednotlivých větví, která prochází společnou tlumivkou, která zajišťuje aby při nadměrném zatížení jedné větve, nestouply napětí ostatních větví (regulační obvod pracuje se součtem napětí na všech větvích, stavy napětí jednotlivých větví nebere v úvahu). Každá z větví je ještě zvlášť filtrována kondenzátorem a tlumivkou, pouze 3,3V větev je dodatečně stabilizována, protože by se na vodičích projevoval značný úbytek napětí (z konektoru zákl. desky vede zpět do zdroje vodič pro snímání hodnoty napětí 3,3V větve, která je podle potřeby dodatečně stabilizována. Na schématu 3.3V STABILIZING).
Díky použití vysoké spínací frekvence jsou transformátory ve spínaných zdrojích velice malé, to umožňuje konstrukci zdrojů o malých rozměrech. S rostoucí spínací frekvenci jsou ale také kladeny vetší nároky na jádra transformátoru, spínací tranzistory a usměrňovací diody.
Naproti tomu klasický zdroj s transformátorem na 50Hz a podobnými parametry by dosahoval rozměrů jako samotný počítač, vysoké váhy a výroba takového zdroje by byla značně nákladná.
Napájecí a zálohovací zdroje PC