Úvod do měření počítačových zdrojů – teorie a funkce | Kapitola 5
Seznam kapitol
Zdroj je nejdůležitější komponentou počítače – závisí na něm stabilita, spolehlivost a také dlouhá životnost počítače a připojených komponent. Neprávem tedy bývá při koupi nového počítače opomíjen, lidé na něm zbytečně šetří. Jako jediný z českých magazínů nabídneme testy počítačových zdrojů. Dnes teorie, příště už první test!
Než se podíváme dále v článku na měřící zařízení jež budeme používat, kompletní sadu přístrojů a metodiku, je na čase trochu objasnit jak vlastně počítačový zdroj funguje, co v něm najdeme a co je u něj důležité. Michal vás v prvních kapitolách uvedl do teorie kolem zdrojů, já nyní představím praktickou část.
Všechny ATX zdroje jsou tzv. spínané zdroje. Pokud bych měl funkci jednoduše objasnit, je princip následující: vstupní střídavé napětí (230 V) přichází na přívod zdroje, jež je chráněn nejen EMI filtrem, ale také ochranou proti různým napěťovým a proudovým špičkám ze sítě. Jak taková ochrana vypadá, si ukážeme na fotografiích dále. Střídavé napětí je pak dále usměrněno na stejnosměrné v usměrňovačích (Bridge Rectifier) na vyšší hodnotu, zpravidla to bývá 325 V.
Poté je signál zpracován PFC obvodem, filtrován a postupuje dále k hlavním „střídačům“ – spínacím tranzistorům. Zde je stejnosměrné napětí 325 V opět rozkmitáno na střídavé, průběh ale není sinusoida ale obdélníkový s vysokou frekvencí desítky kHz. Tyto pulzy pak přichází na primární stranu transformátoru kde se napětí rozdělí do několika sekundárních vinutí dle napěťových větví. Zde už je každé vinutí usměrněno na výstupních usměrňovačích. Dále je filtrováno a dostává se na výstupní svorky zdroje. Aby se tam ale dostalo, je v pozadí ještě spousta logiky a řídících obvodů.
Nejdůležitější je samozřejmě napájecí regulátor (PWM). Ten se stará o to, aby zdroj dodával dostatek energie do zátěže, v tomto případě počítače. Hlavním ovládacím prvkem je ovládání spínacích tranzistorů a jejich frekvence spínání. Kontrolér sleduje výstupní napětí a proud a podle potřeb ovládá tranzistory vkládáním prázdných cyklů. Oddělení mezi výstupním napětím a rozhraním PWM obvodu se děje buď izolačním trafem nebo opto izolátory. Nedílnou součástí zdroje jsou pak ochranné obvody, jež sledují nejen výstupy a případné problémy na něm, ale i další veličiny. Abyste měli představu, jak jednotlivé částí zdroje vypadají i fyzicky podívejme se:
Zdroj v detailech
Obrázky ukazují EMI/RFI část zdroje. V primární části zdroje jde o první nejdůležitější část. Jak jsem si už řekli, jedna z funkcí je zachytit zejména špičky přicházející ze sítě do zdroje. Na druhou stranu je ale nutné zamezit vstupu negativních vlivů opačným směrem – do sítě. U spínaných zdrojů vzniká mnoho negativních šumů, jež by mohly poškodit další připojené zařízení k elektrické síti. Obvod se skládá z Y kondenzátorů (dva modré vpředu), X kondenzátoru (žlutý prvek), cívek a varistoru (MOV) jež je skrytý za cívkou. Na druhém obrázku je vidět i druhý stupeň zdroje – usměrňovače (Bridge Rectifier). Jsou to dvě součástky v popředí s malým pasivem. Ty usměrňují střídavé napětí na stejnosměrné.
Dalším stupněm je aktivní PFC obvod. Na obrázku jej tvoří trojice mosfetů a výkonová dioda. Nahoře vidíme dvojici vyhlazovacích a napájecích kondenzátorů. Odtud „putuje“ signál do střídačů – spínacích mosfetů. Ty jsou na samostatném pasivu a jde v tomto případě o stejný typ jako vidíte v PFC obvodu. Poté už je na řadě transformátor.
Z transformátoru jde napětí do usměrňovačů pro každou napájecí větev. Některé zdroje (Seasonic) mají více než jeden transformátor a všechna napětí je převádějí samostatně, na obrázku je ale řešení s jedním trafem pro všechna napětí. Dolní obrázek ukazuje koncový usměrňovací obvod ze Schottky usměrňovačů (na pasivu). Druhá možnost je místo Schottkyho diod použití mosfetů což je efektivnější ale dražší řešení. Ve zdrojích se setkáme s oběma řešeními často.
První z poslední dvojice obrázků ukazuje PWM obvod. Dražší zdroje jej mají samostatný, někdy bývá osazen pouze jediný čip starající se o PWM, PFC a dokonce i ochranu a monitoring. Na druhé fotografii je pak samostatný monitorovací a bezpečnostní čip. Těch se ve zdrojích používá celá řada, ten z obrázku je ale hodně populární. Podívejme se, jaké monitorovací a ochranné funkce mohou ve zdroji být.
Ochranné funkce
Podle ATX specifikace je nutné aby měla zdroje alespoň tři ochrany: OCP, SCP a OVP. Všechny si nyní popíšeme a vysvětlíme. OCP je Over Current Protection, ochrana při nadměrném proudu. Podle specifikace hovoří o 240 VA na 12V větev (20 A). Výrobci ale toto omezení obcházejí. Buď rovnou zvýší limit nad tuto hranici, nebo vytváří ve zdroji mnoho virtuálních 12V větví a jejich maxima 240 VA se pak sčítají. Pokud je nastavená hodnota překročená, zdroj se vypne.
Druhá ochrana je OVP. Over Voltage Protection. Jak název napovídá, dojde k odpojení při vyšším napětí na větvi než povoluje norma a limity. Maximum pro 12V větve je dané 15,6 V, pro 5V větev 7 V. 3,3V větev by se neměla dostat nad 4,3 V. Norma ale neudává minimální hodnotu pro odpojení. Tu si mohou výrobci nastavit dle libosti.
Další ochranou funkcí je OPP (Over Power Protection) a bývá u zdrojů spíše výjimečně. Dříve se spíše sepne OCP nebo jiná z ochran. Tento systém odpojí zdroj v případě, že je překročen maximální výkon zdroje daný výrobcem. Upřímně, pouze nejlepší zdroje dokáží delší čas pracovat nad své specifikace, tedy se s touto ochranou moc nesetkáme.
OTP znamená Over Temperature Protection a může vás potrápit u levných zdrojů dost často. Z názvu je zřejmé, že jde o ochranu proti přehřátí zdroje. Pokud je překročena maximální teplota, zdroj se vypíná. Tento způsob ochrany mají téměř všechny lepší zdroje. Může signalizovat nefunkční ventilátor nebo přetížení a přehřívání.
Poslední funkcí je SCP (Short Circuit Protection). Opět nám název dává vodítko o co se jedná. Jde o ochranu při zkratu na sekundární části zdroje – napájených větvích. Většinou má zdroj těchto ochran více, minimálně zvlášť pro 12V a další větve napájení.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
