Zasilacz komputerowy, Samodokszta�?canie, Informatyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zasada działania zasilacza komputerowego.........................................................................................2
Wstęp................................................................................................................................................2
Grupy urządzeń odpowiedzialnych za konwersję prądu..............................................................2
Funkcje zasilacza..........................................................................................................................2
Zasilacze liniowe..............................................................................................................................2
Zasilacze impulsowe ........................................................................................................................3
Zasada działania ...........................................................................................................................4
Podsumowanie .............................................................................................................................5
Zasada działania zasilacza ATX ......................................................................................................5
Projektowanie zasilaczy ATX ..........................................................................................................7
Moc wyjściowa zasilacza .................................................................................................................8
Korekcja współczynnika mocy ......................................................................................................10
Wprowadzenie............................................................................................................................10
Układ PFC ..................................................................................................................................11
Wyjaśnienia pomocnicze o mocy...................................................................................................11
Moc czynna ................................................................................................................................12
Moc bierna..................................................................................................................................12
Moc pozorna...............................................................................................................................12
Zasilacze bez PFC ..........................................................................................................................14
Zasilacze z pasywnym PFC............................................................................................................14
Zasilacze z aktywnym PFC ............................................................................................................15
Parametry zasilaczy komputerowych.................................................................................................16
Moc.................................................................................................................................................16
Standard..........................................................................................................................................16
Wtyczka zasilania...........................................................................................................................17
Wtyczka MOLEX ..........................................................................................................................17
Oznaczenia linii MOLEX i ich kolory ...........................................................................................17
Funkcja PFC (AKTYWNY/PASYWNY)......................................................................................19
Filtry ...............................................................................................................................................19
NatęŜenie przy napięciu 3,3 V .......................................................................................................19
NatęŜenie przy napięciu +5 V ........................................................................................................19
NatęŜenie przy napięciu +12 V ......................................................................................................19
NatęŜenie przy napięciu -12 V .......................................................................................................19
MTBF .............................................................................................................................................19
Dodatek A. Schemat zasilacza AT .....................................................................................................20
Dodatek B. Schemat zasilacza ATX ..................................................................................................20
Zasada działania zasilacza komputerowego
Wstęp
Grupy urządzeń odpowiedzialnych za konwersję prądu
1.
Zasilacze AC/DC (ang. Alternating Current/Direct Current) zamieniają prąd przemienny na
prad stały.
2.
Przetwornice DC/DC zmieniają wartość napięcia prądu stałego.
3.
Inwertory DC/AC zamieniają prąd stały na prąd przemienny.
Zasilacz komputerowy naleŜy do grupy pierwszej i drugiej, poniewaŜ zamienia on prąd przemienny
230V/60Hz na prąd stały a następnie zmienia wysokie napięcie prądu stałego na niskie napięcia
prądu stałego.
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
niezaleŜnie od linii, obciąŜenia 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.
Zasilacze liniowe
Zasilacze liniowe obniŜają wejściowe napięcie prądu przemiennego poprzez transformator (na
przykład 230VAC, obniŜane jest do 48VAC). Następnie napięcie jest prostowane poprzez układ
prostowniczy, który jest niczym innym jak czterema diodami w układ Graetza. Zaraz za nimi mamy
kondensatory, których zadaniem jest zachowanie stałego poziomu napięcia prądu stałego
(wypełnienie spadków w górnym przebiegu prądu). PoniŜej znajduje się uproszczony schemat
ilustrujący działanie zasilacza liniowego.
_____________________________
UTK. Zasilacz
- 2 -
Podstawową wadą tego zasilacza jest jego słaba sprawność, nie tylko ze względu na sposób
konwersji prądu, lecz równieŜ ze względu na rozmiary (duŜy i cięŜki transformator musi obniŜyć
napięcie prądu zmiennego na wejściu, a tranzystor rozprasza pewną ilość mocy, która jest tracona
jako ciepło).
Zasilacze impulsowe
Wszystkie nowoczesne komputery uŜywają zasilaczy znanych jako zasilacze impulsowe (ang.
switching power supply). Pomimo bardziej skomplikowanej budowy, stanowią one znaczne
usprawnienie w stosunku do swoich poprzedników pod względem sprawności. Zasilacz impulsowy
działa na zasadzie kontroli średniego napięcia dostarczanego do obciąŜenia. 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). Układ PWM jest najwaŜniejszym układem wyróŜniającym ten typ zasilaczy,
więc warto zapamiętać chociaŜ samą nazwę.
PoniŜszy diagram ilustruje idee działania PWM i jest całkiem prosty do zrozumienia
V - napięcie, T - okres, t(wł) - czas trwania impulsu, o - wyście, i - wejście.
Vo(śr) - średnie napięcie podawane do obciąŜenia (Wzór:
Vo(śr) = (t(wł)/T) x Vi
).
Impulsy następują po sobie szybko (jest to rząd kHz, czyli kilka tysięcy razy na sekundę)
i aby nasze obciąŜenie nie widziało gwałtownych impulsów potrzebne są kondensatory, które
zapewniają względnie stały poziom napięcia. Zredukowanie czasu t(wł) (stan wysoki) powoduje
zmniejszenie średniej wartości napięcia wyjściowego Vo(śr) i odwrotnie - zwiększenie czasu
trwania stanu wysokiego t(wł) spowoduje zwiększenie napięcia wyjściowego Vo(śr).
_____________________________
UTK. Zasilacz
- 3 -
Zasada działania
Zasadę działania zasilaczy impulsowych moŜna sprowadzić do kilku głównych etapów:
·
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 duŜych kondensatorów).
·
Zmodulowanie napięcia przez tranzystor bipolarny.
Półprzewodnikowy tranzystor bipolarny MOSFET jest połączony szeregowo do uzwojenia
pierwotnego transformatora i słuŜy jako przełącznik stanów logicznych. Prąd pojawiający się po
drugiej stronie transformatora jest prostowany na całej długości fali i rekonstruowany w prąd stały
o odpowiednim napięciu. SprzęŜenie zwrotne (Vo, Io, itd.) moŜe być przesłane z powrotem na
stronę pierwotną aby słuŜyć jako wejście dla obwodu PWM. Dzięki temu prostemu rozwiązaniu
układ PWM dostosowuje czas trwania stanu wysokiego t(wł) tak, aby zachować odpowiednią
wartość napięcia.
ZałóŜmy, ze zasilacz impulsowy dostarcza napięcie +12V zasilając obciąŜenie pobierające prąd o
wartości 6A. Gdy nagle zapotrzebowanie obciąŜenia na prąd wzrośnie do 8A, napięcie
automatycznie zmaleje do około +10.67V. W ułamku sekundy sprzęŜenie zwrotne przesyłane do
obwodu PWM odnotuje spadek napięcia i włącza MOSFET na dłuŜszy okres czasu t (wł). Dzięki
temu układ moŜe przekazać więcej mocy i przywrócić wartość napięcia do wartości +12V.
Częstotliwość z jaką pracuje układ PWM mieści się zazwyczaj w przedziale pomiędzy 30kHz a
150kHz, jednak moŜe być ona równieŜ znacznie wyŜsza. Częstotliwość pracy dla zasilaczy
liniowych jest taka sama jak prądu zasilającego - zazwyczaj około 50Hz, lub 100Hz w przypadku
zastosowania układu Graetza. Wybór częstotliwości zaleŜy od przeznaczenia zasilacza i musi być
dobrana tak aby Ŝadna z tych składowych harmonicznych nie zakłócała się z obciąŜeniem.
_____________________________
UTK. Zasilacz
- 4 -
Podsumowanie
Parametr Liniowe Impulsowe
Regulacja obciąŜenia 0,02%-0,1% 0,1%-1,0%
Zakłócenia wyjściowe 0.5 mV-2mV 25 mV-100 mVP-P
Zakres napięcia wejściowego ±10%
±20%
Sprawność
40%-55%
60%-90%
Czas podtrzymania
2 ms
30 ms
Zasilacze liniowe:
·
Wymagają ogromnych transformatorów, zasilacze liniowe są generalnie cięŜkie (dla
zasilacza z wyjściem 16V, na kaŜdy amper przypada około 0,5kg masy).
·
PoniewaŜ tranzystory mocy działają w zakresie liniowym i cały prąd na wyjściu musi przez
niego przejść wymaga on duŜych radiatorów aby rozproszyć straty energii
·
Sprawność konwersji mocy na poziomie 50%
Zasilacze impulsowe:
·
Wysoki koszt produkcji w porównaniu do zasilaczy liniowych
·
LŜejsze i mniejsze od zasilaczy liniowych
·
Sprawność zasilaczy impulsowych dochodzi nawet do 90%
Zasada działania zasilacza ATX
Prąd przemienny podawany jest do zasilacza i przechodzi przez warystor (główne zabezpieczenie
przed przepięciami), kilka filtrów (aby usunąć szumy), bezpiecznik (który stanowi najwaŜniejsze
zabezpieczenie zasilacza) i pierwszy mostek prostowniczy. Następnie prąd przechodzi do dwóch
duŜych kondensatorów, które widać w dolnym prawym rogu zdjęcia. Pełnią one rolę bufora, i dbają
o to aby wychodzące z nich napięcie było wygładzone przed podaniem do tranzystorów polowych
(MOSFET).
_____________________________
UTK. Zasilacz
- 5 -
[ Pobierz całość w formacie PDF ]