Zasilacze komputerowe - prawdy i mity

Kilka słów wyjaśnienia:

Zanim zagłębimy się dalej w ten przewodnik, pragnę wyjaśnić, że dalecy jesteśmy od twierdzenia, iż wiemy wszystko na temat zasilaczy komputerowych i elektryczności. Nie jesteśmy inżynierami elektrycznymi i nie pragniemy nimi zostać. Ten przewodnik ma stanowić edukacyjne wprowadzenie, dla osób o niewielkiej wiedzy na temat zasilaczy komputerowych i ich istotnej roli w pracy komputera. Ze względu na fakt, że przyświecającym celem tego przewodnika jest prostota przekazu (na tyle, na ile to możliwe) i skupienie się tylko na podstawach działania zasilaczy komputerowych, zastosowaliśmy kilka uproszczeń. Jesteśmy otwarci na konstruktywną krytykę tego artykułu, i będziemy bardzo wdzięczni za zgłaszanie wszelkich zauważonych nieścisłości, lub nowych pomysłów na rozbudowanie tego dokumentu.

Podstawy konwersji prądu:

Zacznijmy od podstaw. W świecie elektroniki mamy trzy główne grupy urządzeń odpowiedzialnych za konwersję prądu. Podzielone są one na:

• Zasilacze AC/DC* (zamieniają prąd przemienny na stały)
• Przetwornice DC/DC* (zmieniają wartość napięcia prądu stałego)
• Inwertery DC/AC* (zamieniają prąd stały na przemienny)

* AC (od Alternating Current) oznaczenie prądu przemiennego, a DC (od Direct Current) oznaczenie prądu stałego Typowy zasilacz komputerowy należy do dwóch pierwszych kategorii. Zamienia on prąd przemienny na prąd stały, a następnie zamienia on prąd stały o wysokim napięciu na prąd o napięciach wymaganych przez komputer. Dla zapewnienia poprawnej i bezpiecznej pracy komputera, typowy zasilacz atx musi pełnić poniższe funkcje:

• Prostowanie: Zamiana prądu przemiennego z sieci energetycznej na prąd stały
• Transformacja napięcia: Dostarczanie napięcia odpowiedniego dla komputera
• Filtrowanie: Wygładzanie szumów i tętnień napięcia
• Regulacja: Kontrola napięcia wyjściowego i utrzymywanie stałej jego wartości niezależnie od linii, obciążenia i zmian temperatury
• Izolacja: Elektryczne rozdzielenie wyjścia od napięcia zasilającego na wejściu
• Ochrona: Zapobieganie by niebezpiecznie ostre piki napięcia i prądu nie docierały do wyjścia, zapewnianie podtrzymania pracy, lub bezpiecznego wyłączenia podczas zaniku prądu.

Idealny zasilacz charakteryzowałby się dostarczaniem idealnie gładkiego, stałego napięcia wyjściowego niezależnie od jakości prądu zasilającego, obciążenia, czy temperatury otoczenia, ze 100% sprawnością konwersji prądu. W naszym opracowaniu zajmiemy się dwiema metodami konwersji prądu przemiennego do stałego. Pierwsza z nich, odbywa się poprzez użycie zasilacza liniowego, który jest bardzo prostym i skutecznym sposobem konwersji prądu, druga odbywa się za pomocą zasilaczy impulsowych, bardziej skomplikowanych jednak bardziej sprawnych i lżejszych.

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 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). Poniżej znajduje się uproszczony schemat ilustrujący działanie zasilacza liniowego: Głównym mankamentem tego projektu jest jego słaba sprawność, nie tylko ze względu na sposób konwersji prądu, lecz również ze względu na rozmiary. Najpierw, duży i ciężki transformator musi obniżyć napięcie prądu zmiennego na wejściu. Potem tranzystor (który zachowuje się jak nastawny rezystor) rozprasza pewną ilość mocy, która jest tracona jako ciepło. Moc rozproszona (w Watach) możemy obliczyć za pomocą tego prostego wzoru (Vi - Vo) x Io, czyli mówiąc prosto - Napięcie na wejściu (Vi) odjąć Napięcie na wyjściu (Vo) pomnożone przez Prąd na wyjściu (Io).

Zasilacze impulsowe

Wszystkie nowoczesne komputery używają zasilaczy znanych jako zasilacze impulsowe (switching power supply). Pomimo bardziej skomplikowanej budowy, stanowią one znaczne usprawnienie w stosunku do swoich poprzedników pod względem sprawności, jak i gęstości mocy. 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 jest lepiej znany pod nazwą modulacji szerokości impulsu, czyli po angielsku Pulse Width Modulation - PWM. Układ PWM jest najważniejszym układem wyróżniającym ten typ zasilaczy, więc warto zapamiętać chociaż samą nazwę. Poniższy diagram ilustruje idee działania PWM i jest całkiem prosty do zrozumienia: V = napięcie, T = okres, t(wł) = czas trwania impulsu, o = wyście, i = wejście. Średnie napięcie podawane do obciążenia może zostać wytłumaczone następującym wzorem Vo(śr) = (t(wł)/T) x Vi. Impulsy następują po sobie szybko (jest to rząd kHz, czyli tysięcy razy na sekundę) i aby nasze obciążenie 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). Zasadę działania zasilaczy impulsowych możemy sprowadzić do kilku głównych etapów. Na początku zasilacz pobiera prąd przemienny o napięciu ~230V z sieci energetycznej i prostuje go używając mostka Graetza (mostek wysokiego napięcia i niskiego prądu), oraz kondensatorów, następnie prąd jest oczyszczany z szumów prądu przemiennego. Obecnie w większości zasilaczy, kolejnym etapem jest korekcja współczynnika mocy (układ aktywnego, lub pasywnego PFC, którym zajmiemy się później). Zaraz za nim mamy parę dużych kondensatorów, które mają za zadanie wygładzić napięcie zanim zostanie zmodulowane przez tranzystor bipolarny. Półprzewodnikowy tranzystor bipolarny jest połączony szeregowo do uzwojenia pierwotnego transformatora i służy 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. Sprzężenie zwrotne (Vo, Io, itd.) może być przesłane z powrotem na stronę pierwotną aby służyć jako wejście dla obwodu PWM. Dzięki temu prostemu rozwiązaniu układ PWM dostosowuje czas trwania stanu wysokiego t(wł) tak, aby zachować odpowiednią wartość napięcia.



Załóżmy, ze nasz zasilacz impulsowy dostarcza napięcie 12V zasilając 6A obciążenie. Teraz gdy nagle zapotrzebowanie obciążenia na prąd wzrośnie do 8A, napięcie automatycznie zmaleje do około 10.67V. W ułamku sekundy sprzężenie zwrotne przesyłane do obwodu PWM odnotuje spadek napięcia i włącza MOSFET na dłuższy okres czasu t (wł). Dzięki temu układ może 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 może być ona również znacznie wyższa. Częstotliwość pracy dla zasilaczy liniowych jest taka sama jak prądu zasilającego - zazwyczaj około 50Hz, lub 100Hz w przypadku zastosowania układu Graetza. Wybór częstotliwości zależy od przeznaczenia zasilacza i musi być dobrana tak aby żadna z tych składowych harmonicznych nie zakłócała się z obciążeniem.

Zasilacze liniowe kontra impulsowe

Nadszedł czas na krótkie podsumowanie i porównanie zasilaczy liniowych, i impulsowych. Za chwilę dowiemy się dlaczego komputery mogą być zasilane tylko zasilaczami impulsowymi. Gdyby zbudować liniowy zasilacz dla komputera zajmowałby on obudowę wielkości wieży i ważyłby kilkadziesiąt kilogramów.

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 niż ich liniowi odpowiednicy
• Sprawność zasilaczy impulsowych dochodzi nawet do 90%

Więc co z tym moim zasilaczem?

Podczas gdy wszystkie zasilacze komputerowe określane są mianem zasilaczy impulsowych, ich konstrukcja jest nieco bardziej skomplikowana niż ta, przedstawiona wcześniej (była ona bardzo uproszczona i miała tylko jedną linię wyjściową). Dla dalszych rozważań będziemy używali oficjalnej specyfikacji ATX12V v2.01 jako wskazówek ogólnych. Od tej pory za każdym razem gdy będziemy mówili o zasilaczu komputerowym, mamy na myśli zasilacz zgodny z wyżej wspomnianą normą. Nim przejdziemy dalej, trzeba wyjaśnić, że każdy model zasilacza jest zaprojektowany nieco inaczej i poniższe wyjaśnienia należy traktować jedynie jako model ogólny. Jest tak wiele możliwych sposobów konstrukcji zasilaczy, że wyjaśnienie każdego z nich sprawiłoby, że ten artykuł byłby po prostu zbyt długi i niezrozumiały. Nowoczesne komputery zgodne ze standardem ATX wymagają aby napięcia podawane przez zasilacz pozostawały w bezpiecznym zakresie (zazwyczaj ?5% wartości nominalnej). Ze względu na fakt, iż każdy z podzespołów komputera potrzebuje prądu w innym momencie i na różnych liniach, komputer jako całość stanowi tak zwane obciążenie złożone. Znaczy to, że obciążenie i co za tym idzie prąd na każdej z linii ( 3,3V, 5V, 12V, -12V i 5Vsb) zmienia się w sposób przypadkowy i niezależny. Jak można sobie z tym poradzić? Pewnie myślicie, że wyposażenie zasilacza w obwód PWM i transformator dla każdej linii rozwiązałoby sprawę i zapewniło doskonałą stabilizację napięć przy każdej kombinacji obciążeń. Jednak jeżeli spojrzycie do wnętrza zasilacza komputerowego zobaczycie zazwyczaj tylko jeden tranzystor polowy i główny transformator (z którego wszystkie linie czerpią prąd). Owszem, występują również mniejsze transformatory (czasami dwa), które zazwyczaj odpowiedzialne są za napięcia 5Vsb i -12V. Niskie zapotrzebowanie na prąd tych linii sprawia, że łatwo zaimplementować je niezależnie od reszty zasilacza. A więc jak to działa? Na początku prąd przemienny podawany jest do zasilacza i przechodzi przez warystor (główne zabezpieczenie przed przepięciami), kilka filtrów (aby usunąć szumy), bezpiecznik (który stanowi najważniejsze zabezpieczenie zasilacza) i pierwszy mostek prostowniczy. Podzespoły te są widoczne w górnym, prawym rogu zdjęcia (widzimy tam również obcięte kable zasilające). Mostek prostowniczy to ten czarny prostokątny obiekt najbliżej radiatorów. Ze względu na dość niski prąd (jednak wysokie napięcie!) prostownik nie wymaga radiatora. Również w tym bloku podłączony będzie aktywny ,lub pasywny układ PFC - korekcji współczynnika mocy (zajmiemy się nim w dalszej części tekstu). Następnie prąd przechodzi do dwóch dużych 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).

Poniżej mamy trzy ilustracje tego co dzieje się z napięciem przy przechodzeniu przez pierwsze segmenty zasilacza.



Następnie układ PWM zamienia prąd na impulsy wysokiej częstotliwości (rząd kHz) o szerokości uzależnionej od obciążenia poprzez tranzystory polowe wysokiej mocy, przymocowane do, widocznych na wcześniejszym zdjęciu, radiatorów. W zależności od mocy zasilacza mamy tam dwa lub więcej mosfetów połączonych równolegle, zachowujących się jak jeden, duży tranzystor (takie rozwiązanie daje większą pojemność obciążenia). Następnie tranzystory polowe (wyłączane i włączane z wysoką częstotliwością przez układ PWM) dostarczają moc do pierwotnych uzwojeń transformatorów widocznych na środku zdjęcia jako żółte obiekty.

Wszystkie napięcia wyjściowe mają swój początek po wtórnej stronie transformatora, po czym zostają oczyszczone przez zestaw podwójnych diod Schotkiego, przymocowanych do radiatorów po lewej stronie zdjęcia. 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 zasilaczu 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, oraz magazynować moc.

Ponieważ chcemy uzyskać czysty prąd, dławiki są filtrami dolnoprzepustowymi, niskich częstotliwości. To może być nieco irytujące, ponieważ aby uchronić się przed dużymi stratami prądu stałego, czasami musimy zastosować duże, stare cewki jako induktory. Często dławiki nazywane są po prostu dużymi induktorami, gdyż taka jest ich funkcja. Podczas gdy kondensatory odprzęgające pełnią podobną rolę (odcina tętnienie), to jednak celem tego elementu są raczej wysokie częstotliwości.

Sprzężenie zwrotne z różnych linii zasilających jest monitorowane przez obwód kontrolny, którego zadaniem jest takie sterowanie napięcia, aby mieściło się w żądanej normie. Ze względu na fakt, że w 90% obecnych na rynku zasilaczach komputerowych mamy tylko jeden tranzystor polowy i transformator, każda zmiana obciążenia na jednej linii spowoduje zmianę napięcia na pozostałych liniach. Metod i trików używanych przez producentów zasilaczy do stabilizacji napięć istnieje tak wiele, że opisanie ich w tej chwili zajęłoby zbyt dużo miejsca, a całe rozważania uczyniło zrozumiałe tylko garstce osób zajmujących się elektroniką. Oczywiście głównym czynnikiem przy dokonywaniu wyboru sposobu stabilizacji napięć są jak zawsze koszty.

Głównymi czynnikami przy projektowaniu zasilaczy komputerowych są rozmiar i cena. Użyciu odrębnego obwodu i komponentów dla każdej linii wyjściowej (tranzystorów polowych, transformatorów, filtrów, itd...) pozwoliłoby na uzyskanie doskonałej kontroli napięcia pod każdym obciążeniem, jednak stałoby się niepraktyczne ze względu na rozmiary zasilacza i koszt jego produkcji. To właśnie dlatego specyfikacja ATX12V v2.01 zezwala na ?5% odchyły od wartości pierwotnych, aby pozostawić pole manewru dla zaspokojenia niepowtarzalnych obciążeń jakie generuje każdy komputer.

Warto też wspomnieć, że zgodnie z normą "granice regulacji napięć, powinny zostać zachowane przy ciągłej pracy, przez dowolny okres czasu, przy warunkach środowiskowych wyszczególnionych w sekcji piątej". Jeżeli zapisaliście specyfikację na dysku to zaglądając do niej znajdziecie w sekcji piątej wspomniane warunki. Najważniejszym z nich, jest maksymalna temperatura pracy zasilacza, która wynosi 50° C. Miejcie tą wartość w pamięci, gdyż wrócimy do tego zagadnienia nieco później.



Specyfikacja ATX12V v2.2 ilustruje na poniższym grafie typową regulację krzyżową dla zasilacza o mocy 400W. W gruncie rzeczy, chodzi o to, że zasilacz zgodny z ATX12V v2.2 musi zachować wartości wszystkich napięć w granicach 5% toleracji, wewnątrz pola tworzonego przez niebieskie linie. Oczywiście niektóre zasilacze posiadają większą obciążalność, inne mniejszą, jednak ogólny kształt grafu pozostaje zawsze podobny do tego poniżej, zmieniają się jedynie liczby.



W dzisiejszych zasilaczach 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, powoli przechodzi do lamusa. Jest ona zastępowana przez pozostałe linie, jednak nadal korzysta z niej dość dużo urządzeń (na przykład USB, niektóre komponenty na płycie głównej).

Warto pamiętać, że starsze zasilacze tworzone były zgodnie z normą ATX12V v1.3 mają inaczej wyglądający graf obciążalności krzyżowej. Jest tak dlatego, że wówczas to linia 5V była najważniejsza, a 12V nie była zbytnio obciążona. Z tego też względu starsze zasilacze mogą nie radzi sobie przy nowych komponentach żerujących głównie na linii 12V.

Moc wyjściowa zasilacza

Każdy zasilacz komputerowy powinien posiadać ściśle określoną moc wyjściową wyrażoną w Watach. W pierwszym naszym przykładzie posłużymy się zasilaczem o deklarowanej mocy 470W. Ale zaraz! Przecież jeżeli dodamy do siebie obciążalności poszczególnych linii uzyskamy nieomal 706W! Co więcej maksymalna obciążalność na liniach 3.3V i 5V wynoszą 280W, a suma obciążalności każdej z nich to przecież 312W. Nic się nie zgadza! Zdziwieni? Powodem, dla którego obciążalność nie sumuje się, jest trójkąt mocy, pomiędzy trzema liniami zasilającymi (ilustrowany w poprzedniej części). Przypomnijmy, że zmiana obciążenia na jednej linii ma duży wpływ na maksymalne obciążenie na wszystkich pozostałych liniach. Podczas każdego zadania komputer pobiera inną moc z każdej linii, dlatego komputer możemy nazywać obciążeniem dynamicznym, cały czas zmiennym. Warto zapamiętać, aby przy wyborze zasilacza kierować się nie mocą całkowitą ale obciążalnością linii 12V, gdyż jest to najważniejsza linia. Niektóre zasilacze mają "przerośniętą" linię 5V, która nie dość, że wpływa na obniżenie sprawności zasilacza, to jeszcze podbija moc całkowitą i zaciemnia realne korzyści z kupna zasilacza o mocnej linii 5V. Niestety do dzisiaj nie doczekaliśmy się ustandaryzowania sposobu w jaki producent zasilacza zobowiązany jest umieszczać informacje na temat parametrów zasilacza. Weźmy na przykład z liczby na zdjęciu poniżej. Nie wiemy na ich podstawie czy podane liczby są wartościami ciągłymi, czy chwilowymi. Co więcej, nawet gdyby taka informacja była podana, nadal nie będziemy wiedzieli w jaki sposób producent definiuje pojęcie mocy ciągłej i szczytowej w porównaniu do konkurencji. Dla jednego producenta moc maksymalna oznacza moc chwilową przez 30 sekund, podczas gdy dla innego może oznaczać maksymalna moc ciągłą. Jest to stanowczo zbyt wiele niejasności, a to może zachęcać niektórych producentów do nieuczciwego oznaczania swoich produktów. Jeżeli na tabliczce znamionowej nie ma oznaczonych wartości dla maksymalnego, szczytowego, lub ciągłego obciążenia, wówczas bezpiecznie będzie przyjąć, że obciążalność dla każdej z linii (wyrażona w amperach) to wartość szczytowa, a połączone wartości (podane w watach) to wartości ciągłe. Jeżeli chcemy przybliżyć sobie moc ciągłą, jednak znamy tylko moc szczytową (lub w ogóle nie jest opisane jaka to moc) wówczas dobrze jest przyjąć, że moc ciągła to 80% podanej wartości.

Zdjęcie powyżej jest dobrym przykładem na typowe informacje, które umieszczane są na tabliczkach znamionowych zasilaczy. Informacji nie jest wiele, jednak są wystarczające aby podjąć świadomą decyzję o wyborze. Jak widać jest to zasilacz z dwiema liniami 12V, co oznacza zasilacz zgodny z normą ATX12V v2.0, lub nowszą. Zdjęcie poniżej przedstawia nieco więcej informacji, które mogą być przydatne, jednak kryją również pewien haczyk. Zasilacz poniżej jest zgodny ze starszą normą - ATX12V 1.3, która kładła większy nacisk na obciążalność linii 5V. Wybierając zasilacz do własnego komputera warto zauważyć, że zasilacz poniżej ma wyższą moc całkowitą, jednak różnica wynika głównie z mocniejszej linii 5V, której nowe komputery zbytnio nie wykorzystują. Dlatego wybierając zasilacz warto dowiedzieć się z jakiej linii głównie korzysta nasz komputer.



Poniżej znajdziemy za to tabliczkę, która nie podaje w ogóle jaką moc ma zasilacz. Owszem znajdziemy na niej enigmatyczny napis MAX420 jednak co on oznacza, możemy jedynie zgadywać. Podobnie z sumarycznymi obciążalnościami dla linii 3.3V i 5V. Jest to piękny przykład na to jak producenci nie kwapią się z ujawnianiem prawdy.



Aby uniknąć przykrej niespodzianki warto zatem jeszcze raz przyjrzeć się parametrom zasilacza. Trzeba też wziąć pod uwagę warunki w jakich przyjdzie pracować naszemu zasilaczowi. Wraz ze wzrostem temperatury może spadać całkowita moc jaką nasz zasilacz może oddać. Jest to główny czynnik, który odróżnia zasilacze dobrej jakości od takich naśladowników. Tematem wpływu otoczenia na parametry zasilacza zajmiemy szerzej się już za chwilę.

Współczynnik mocy

Układ korekcji współczynnika mocy, zwany z angielskiego PFC (od Power Factor Correction), stał się ostatnio bardzo gorącym tematem. Zwłaszcza tutaj w Europie, gdzie PFC jest po prostu wymogiem. Bez wdawania się zbyt wiele szczegółów współczynnik mocy dotyczy stosunku mocy rzeczywistej do mocy pozornej w prądzie przemiennym. Jak wiadomo w Polsce elektrownie dostarczają do naszych gniazdek prąd o napięciu 230V i częstotliwości 50Hz, przynajmniej tak powinno być. W dalszej części posłużymy się po prostu jednofazowym prądem przemiennym. Przy transporcie energii najczęściej wykorzystywanym kształtem fali jest fala sinusowa. Napięcie zmienia się w niej od dodatniego do ujemnego kilkadziesiąt razy na sekundę. Właśnie tutaj pojawia się nam wielkość zwana częstotliwością. Jest ona wyrażana w Hertzach (Hz) i określa ilość cykli w ciągu sekundy. Aby wiedzieć gdzie jesteśmy na fali sinusowej użyjemy prostej miary kątowej. Jeden pełny cykl to 360°, połowa to 180° a jedna czwarta to 90° i tak dalej. Pojecie kąta fazowego służy nam do przedstawienia kąta opóźnienia, lub wyprzedzenia prądu względem napięcia. W przypadku obciążenia czysto oporowego kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi 0°. Oznacza to, że napięcie i prąd są zgodne w fazie.



W przypadku obciążenia czysto indukcyjnego kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi 90°. Oznacza to, że napięcie wyprzedza prąd.



W przypadku obciążenia czysto pojemnościowego kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi -90°. Oznacza to, że napięcie jest opóźnione względem prądu.



Ze względu na bardzo skomplikowaną budowę, większość urządzeń (obciążeń) , które podłączamy do gniazdka sieciowego, stają się obciążeniami pojemnościowymi, indukcyjnymi (lub ich rodzaj może się zmieniać wraz ze zmianą trybu działania). Takie złożone obciążenia nazywamy obciążeniami reaktancyjnymi. Prąd pobierany przez te urządzenia niemal nigdy nie nadąża za napięciem i jest niezgodny z fazą (tak jak na rysunkach 2 i 3 powyżej). Co więcej na rysunkach widzimy idealną falę, podczas gdy w rzeczywistości wygląda to zupełnie inaczej. Można powiedzieć, że im bardziej napięcie i prąd są zgodne w fazie tym wyższy będzie współczynnik mocy i tym mniej mocy pozornej będzie potrzebne.

Przedstawimy teraz kilka prostych definicji, które pomogą zrozumieć dalszą część tekstu:

Moc czynna.

Moc czynna P, (wyrażana w W) jest miarą energii wykorzystanej przez w 100% przez odbiornik, zamienionej na pracę, wydzielonej w odbiorniku na rezystancji R. Definiujemy ją jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosinusa kata przesunięcia fazowego napięciem i prądem. Odbiorniki jednofazowe: P = U I cos? gdzie: Uf If - wartości skuteczne napięć i prądów fazowych, U I - wartości skuteczne napięć i prądów przewodowych. Jest rozpraszana (zużywana) przez obciążenie
Wyrażamy ją w Watach (W)

Moc bierna

Moc bierna Q ( wyrażana w VAr) nie zostaje zamieniona w urządzeniach odbiorczych na pracę użyteczną, w jaką zostaje zamieniona moc czynna. Jest ona miarą energii pulsującej między elementem indukcyjnym /L/ i pojemnościowym /C/ odbiornika a źródłem energii elektrycznej. Moc ta znacznej mierze obciąża źródło prądu, co powoduje dodatkowe straty ciepła. Moc bierna jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem: Odbiorniki jednofazowe: Q = U I sin? gdzie: U I - wartości skuteczne napięć i prądów przewodowych.

Moc pozorna

Moc pozorna S ( wyrażana w VA) jest geometryczną sumą mocy pobieranych przez odbiornik. Występuje jako moc znamionowa generatorów i transformatorów. Wyrażamy ja jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu: Odbiorniki jednofazowe: S = U I gdzie: U I - wartości skuteczne napięć i prądów przewodowych.

Współczynnik mocy

Moc czynną, bierną i pozorną można przedstawić graficznie w postaci trójkąta prostokątnego, zwanego trójkątem mocy. Z trójkąta tego wynika, że współczynnik mocy (oznaczany z angielskiego PF, od Power Factor) jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej: Odbiorniki prądu przemiennego pobierają ze źródła moc pozorną S, a oddają na zewnątrz moc czynną P w postaci energii cieplnej lub mechanicznej. Współczynnik mocy cos? jest więc miarą wykorzystania energii. W przypadku obciążenia o naturze czysto oporowego współczynnik mocy jest równy jedności. Co oznacza przypadek idealny, ponieważ moc bierna jest równa zeru. W przypadku pozostałych dwóch rysunków (obciążenia indukcyjne i pojemnościowe) udział rezystancji jest zerowy, a co za tym idzie współczynnik mocy jest również zerowy. Każda inna wartość współczynnika mocy (większa od 0 i mniejsza od 1) oznacza, że przewody muszą nieść więcej prądu niż jest to potrzebne. Pociąga to za sobą konieczność instalowania grubszych przewodów. Ponieważ moc przekazywana od elektrowni do naszych gniazdek jest sumą mocy czynnej i biernej, w przypadku niskiego współczynnika mocy linie transmisyjne mogą być pod dość dużym obciążeniem (jest to obecnie poważny problem w USA i w Chinach). Muszą one nieść naddatek mocy poprzez linie transmisyjne do naszych domów tylko po to aby zostać odbity powrotem do sieci energetycznej, zamieniając się w pojemnościowe śmieci. Co więcej poprzez przewody w domu płynie tyle amper na obwód, że nie jest w stanie zasilać zbyt wielu urządzeń przy niskim współczynniku mocy. Ogólnie im wyższy współczynnik mocy, tym mniej obciążona sieć, i tym więcej urządzeń można nią zasilać. Jest jeszcze jeden, ekologiczny aspekt tej sprawy. Im niższy współczynnik mocy tym więcej przysłowiowego węgla trzeba spalić aby dostarczyć tą samą ilość mocy czynnej.

A teraz czas na nasze ulubione pytanie. "Czy muszę płacić za tą całą moc pozorną?" Odpowiedź brzmi - w Polsce jeszcze nie. Liczniki mierzą moc czynną, a nie pozorną, dlatego na razie nie będzie różnicy w wysokości rachunków. Przeciętny Kowalski zapłaci tyle samo jeżeli jego zasilacz będzie miał układ PFC, jak i wówczas gdy go mieć nie będzie. Jednak obserwując zachowania firm energetycznych za granicą (USA, UE) zauważalny jest trend do obciążania użytkowników domowych dodatkową opłatą, w przypadku gdy ich współczynnik mocy jest zbyt niski.

Korekcja współczynnika mocy

Jak wiemy korekcja współczynnika mocy może odbywać się zarówno w sposób aktywny jak i pasywny. Pamiętacie jak niedawno pisaliśmy na temat tego jak moc przekazywana jest przez zasilacz? Jednymi z pierwszych elementów przez które kierowany jest prąd były dwa wielkie kondensatory, tuż przed głównym tranzystorem polowym. Te kondensatory w sposób naturalny zachowują się jako obciążenie pojemnościowe. Dlatego aby wyrównać wywoływane przez nie przesunięcie fazy, będziemy potrzebowali odpowiednią ilość obciążenia indukcyjnego w postaci dławików. Odwrotnie, jeżeli obciążenie jest bardziej indukcyjne, naturalną reakcją będzie dodanie kondensatora. W teorii brzmi to prosto i logicznie, jednak w zależności od skomplikowania urządzenia, pasywne PFC może nie być wystarczająco wydajne, lub nie działać tak jak zamierzono. W zasilaczach komputerowych spotykamy się z trzema sytuacjami.

Zasilacze bez PFC

Jest to wersja zasilacza, której niepowinniśmy obecnie zastać w sklepie na terenie Polski. Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej nie można sprzedawać na jej terenie zasilaczy bez układu PFC o mocy od 75 do 1000 W. Regulację tą wprowadziła w krajach Unii Europejskiej dyrektywa przedstawiona w normie EN61000-3-2. Warto pamiętać, że zasilacze pozbawione PFC, z punktu widzenia użytkownika pracują tak samo dobrze (a nawet lepiej) niż zasilacze posiadające PFC. Jednak właściciele elektrowni będą mieli inne zdanie.

Pasywne PFC

Współczynnik mocy zasilaczy z tym elementem jest nieznacznie niższy od zasilaczy z aktywnym PFC. Układ pasywnego PFC jest ustawiony na stałe na określone obciążenie przez co nieco obniża się jego efektywność w stosunku do elementu aktywnego, jeżeli obciążenie jest inne niż przewidziano przy projektowaniu zasilacza. W większości przypadków takie rozwiązanie w zupełności się sprawdza. Zasilacze z pasywnym PFC uzyskują, współczynnik mocy wyższy od ich braci pozbawionych układu PFC - około 0,80 - 0,95. Co jest już bardzo dobrym wynikiem. Przy okazji zakłócenia harmoniczne powracające do sieci energetycznej są niewielkie.

Aktywne PFC

Układ aktywnego PFC jest niczym innym, jak kolejnym układem przełączającym umieszczonym tuż przed głównym układem przełączającym w zasilaczach. Przełącza on moc bez użycia kondensatorów i zapewnia bardziej stałe napięcie do głównego obwodu przełączającego niż miałoby to miejsce normalnie w przypadku zasilaczy bez PFC. Jak widać na ilustracji poniżej, zasilacze z aktywnym PFC uzyskują, współczynnik mocy najbardziej zbliżony do jedności - około 0,90 od 0,99. Fazy napięcia i prądu są sobie nieomal równe. Pociąga to za sobą najlepsze wykorzystanie energii elektrycznej, oraz relatywnie niewielkie zakłócenia harmoniczne powracające do sieci energetycznej. Układ aktywnego PFC pozwala także na takie wydatkowanie mocą, że model kupiony z dużą rezerwą zużywa mniej mocy pozornej niż model bez układu PFC. Zasilacze wyposażone w układ aktywnego PFC mogą kompensować przesunięcie fazowe dynamicznie przez co np. podczas startu komputera kiedy to pobór mocy jest największy, w tym krytycznym momencie napięcia podawane są bez ich spadków co zapewnia poprawny start. Zdarza się bowiem, że zbyt słaby zasilacz nie jest w stanie podać wystarczającej mocy startowej dla komputera, choć jest w stanie zasilić komputer w pracy ciągłej.

Czy to znaczy, że zasilacz aktywnym PFC ma lepszą sprawność? Nie! Z technicznego punktu widzenia jest to kolejny obwód do zasilenia, dlatego zasilacze z układem PFC mogą być czasem mniej sprawne od ich braci pozbawionych PFC. Jednak wywołany tym spadek sprawności jest tak znikomy, że korzyści płynące z aktywnego PFC z łatwością przeważają szale nad jego minusami. Warto rozróżniać i rozumieć pojęcia "Współczynnik mocy" i "Sprawność", gdyż są to dwie różne rzeczy.

Moc zasilacza a zużycie pradu

Załóżmy, że mamy dwa zasilacze o takich samych parametrach i różniących się tylko mocą. Pierwszy z nich posiada moc 350W, a drugi moc 500W. Jeżeli podłączymy każdy z nich do takiego samego komputera (obciążęnia) to obydwa zasilacze będą pobierały identyczną ilość prądu z gniazdka elektrycznego. Mitem jest więc twierdzenie, że im większą moc zasilacza tym więcej prądu pobiera z sieci. Jest tak dlatego, że "moc" zasilacza oznacza jakie maksymalne obciążenie może wytrzymać, a nie ile mocy cały czas dostarcza.

Zasilacze awaryjne - UPS

Nadszedł czas aby powrócić do zasilaczy awaryjnych, czyli UPS (od Uninterruptible Power Supplies), które zazwyczaj oznaczane są w wolto-amperach (VA), jednak mają też swoje oznaczenia mocy maksymalnej w watach (które większość ludzi ignoruje, lub nie jest świadoma). Na przykład mój Ever Net 1400 DPC posiada oznaczenie 1400AV i 840W. Pobór mocy nie może przekraczać tych wartości. Dla poprawnej pracy zasilacza UPS, żadna z tych wartości nie powinna być wykorzystywana bardziej niż w 80%. Stało się niejako standardem przemysłowym, że oznaczenie zasilacza PSU w Watach stanowi 60% oznaczenia w VA dla małych systemów UPS, co odpowiada typowemu współczynnikowi mocy typowego komputera. W niektórych przypadkach producenci podają jedynie oznaczenie w VA. Dla małych zasilaczy UPS zaprojektowanych dla komputerów osobistych należy wówczas przyjąć, że oznaczenie zasilacza w watach otrzymamy biorąc 60% oznaczenia w VA. Mówiąc prostymi słowami UPS jest niczym innym jak konwerterem DC-AC, używającym ogromnych akumulatorów do zasilania źródła w przypadku zaniku mocy. Żywotność zamontowanych baterii zależy od pojemności UPS, oraz obciążenia (większość producentów udostępnia te dane na swojej stronie). Im gorszy współczynnik mocy, tym mniej urządzeń będzie można podłączyć do zasilacza UPS. Dlatego też, posiadanie zasilacza impulsowego z aktywnym PFC zaczyna mieć znaczenie, gdy chcemy maksymalne wykorzystać moc drzemiącą w naszym zasilaczu UPS.

Sprawność zasilaczy impulsowych

Sprawność zasilacza określa wyrażony w procentach stosunek mocy prądu stałego podawanego na wyjściu zasilacza, do mocy prądu przemiennego wchodzącego do zasilacza. W większości wypadków jest ona wyrażana w procentach od 0% do 100%. Ideałem byłby zasilacz o sprawności równej 100%, jednak takich zasilaczy nie da się zbudować. Przy kupnie zasilacza warto zwrócić uwagę na sprawność zasilacza (im większa tym lepiej) i unikać jak ognia zasilaczy o niskiej sprawności. Załóżmy, że nasz zasilacz o mocy 400W posiada przy pełnym obciążeniu sprawność 75%. Oznacza to że, aby dostarczyć nam 400W mocy, musi on pobrać z gniazdka aż 500W. Różnica pomiędzy dostarczaną mocą, a mocą pobieraną z gniazdka wynosi 100W i jest tracona do otoczenia jako promieniowanie (cieplne i elektromagnetyczne). Ta dodatkowa, utracona moc będzie też doliczona do naszego rachunku za prąd, nie wspominając o tym, że trzeba zadbać o jej odprowadzenie na zewnątrz zasilacza. Tak więc tani zasilacz może być atrakcyjny na pierwszy rzut oka, jednak po chwili zastanowienia okaże się, że będziemy musieli zapłacić za niego jeszcze kilka razy w postaci wyższych rachunków za prąd. Naprawdę przy kupnie zasilacza warto wybrać najbardziej sprawny zasilacz, na jaki nas stać. Poniżej znajduje się tabela zawarta w specyfikacji ATX12V v2.2 wyrażająca wymagane i rekomendowane, minimalne poziomy sprawności dla zasilaczy komputerowych.

Większość nowoczesnych zasilaczy osiąga obecnie sprawności na poziomie ~75% przy typowym obciążeniu (~250W), lepsze osiągają wartości zbliżone do ~85%. Im wyższa sprawność zasilacza, tym mniej on ciepła generuje i tym mniej chłodzenia wymaga. Dlatego zasilacze posiadające bardzo wysoką sprawność często stanowią podstawę do budowy zasilaczy chłodzonych pasywnie i pół-pasywnie.

Warunki pracy

Zasilacze komputerowe tworzone są z myślą o pracy w warunkach, które nie zawsze są optymalne. Większość miłośników komputerów dba o dobrą wentylację wewnątrz obudowy, jednak niektórzy integratorzy sprzętu, oraz użytkownicy serwerów zmuszają sprzęt do ciągłej pracy w górnym zakresie warunków dozwolonych przez specyfikację. Ciepło jest najgorszym wrogiem zasilaczy. Każdy podzespół zasilacza osiąga charakterystykę pracy przy z góry określonej temperaturze, która najczęściej nie pokrywa się z temperaturą w której musi pracować (zwłaszcza pod większym obciążeniem). Wraz ze wzrostem temperatury maleje nam pojemność, wzrasta opór i ostatecznie powstaje ryzyko uszkodzenia danego elementu. Większość osób nie myśli o tym, że w zależności od temperatury wewnątrz obudowy ich zasilacz może, lub nie może pracować z pełną sprawnością (zależy to od jakości wykonania zasilacza). Zgodnie z normą ATX12V v2.01 zasilacz powinien być w stanie pracować i zachować stabilność pod pełnym obciążeniem w temperaturze 50° C. Niestety najczęściej są to tylko pobożne życzenia twórców normy ATX. Wielu producentów zdaje się pomijać ten fragment przy oznaczaniu mocy swoich wynalazków, co skutkuje przegrzaniem zasilacza i wyłączeniem przy pełnym obciążeniu daleko przed zbliżeniem się do temperatury 50° C. Widzieliśmy już wiele zasilaczy, których moc podawana była przy temperaturze 25° C. Jak łatwo się domyśleć zasilacz taki nie wytrzymywał długo gdy temperatura wzrastała. Jedynym rozwiązaniem było obniżenie temperatury otoczenia, zmniejszenie obciążenia, lub kupno lepszego zasilacza.

Waga zasilaczy

Niektórzy ludzie uważają, że waga zasilacza jest istotnym czynnikiem. Jeżeli zasilacz jest cięższy to znaczy, że jest lepszy. Prawda? Otóż nie do końca! Owszem porównując ze sobą zasilacze z najniższej półki (które wewnątrz są nieomal puste) z zasilaczami z górnej półki, naturalnie okaże się, że lepszy zasilacz waży więcej i to często o 1, 2 a nawet o 3kg! Jednak pozostawmy przypadki skrajne i zajmijmy się przedziałem zasilaczy w okolicach 150zł - 300zł. Różnice w ciężarze tych zasilaczy oscylują w okolicach jednego kilograma. I waga zasilacza ma w takim przypadku mało wspólnego z jakością jego wykonania. Jeżeli odejmiemy wagę przewodów i obudowy zasilacz to pozostaje nam naprawdę niewiele. Największa masa będzie kryła się w transformatorach, które jak wiadomo są miedzianymi drutami nawiniętymi na metalowy rdzeń, oraz radiatorach (do których mocowane są tranzystory i diody). Jednak radiatory wykonane są zazwyczaj z aluminium, który jest metalem z natury lekkim. Warto również pamiętać, że każdy producent zasilaczy ma swój własny projekt, więc ciężar poszczególnych części wewnątrz możne znacząco różnić się zależnie od modelu. Skoncentrujmy się na teraz tranzystorach polowych (element, który przełącza moc). Jest to jeden z najważniejszych elementów zasilacza, a jego waga jest znikoma. Rozmiar jest również niewielki, a do wyboru mamy setki różnych modeli. Główna różnica pomiędzy nimi kryje się w parametrach, które wynikają z oszczędności podczas produkcji. Tani tranzystor może generować więcej ciepła (przez co będzie wymagał większego i cięższego radiatora), przy czym będzie miał niższą moc niż podobny, jednak droższy tranzystor wysokiej klasy (który będzie potrzebował mniejszego i lżejszego radiatora). Podobnie sytuacja będzie wyglądała w przypadku diod. Inne komponenty zasilacza takie jak diody, rezystory i dławiki nie wymagają żadnych radiatorów i są względnie lekkie. Ich jakość można ocenić tylko nad podstawie marki producenta, modelu, oraz parametrów.

Cięcie kosztów

Jak wiadomo w dalszym ciągu, największa ilość sprzedawanych zasilaczy należy do segmentu low-end, w którym znajdują się zasilacze o stosunku ceny do mocy nie przekraczającej 0,45zł/W (100zł za 300W, 210zł za 500W itd.). Dlatego wielu producentów wciąż poszukuje najróżniejszych sposobów na obniżenie cen swoich produktów. Najczęściej spotykanym trikiem są oszczędności na układzie chłodzącym. Bardzo prostym sposobem na odchudzenie zasilacza jest zmuszenie powietrza aby przepływało szybciej przez wnętrze zasilacza, poprzez zamontowanie szybko-obrotowego wentylatora. Oczywiście przekłada się to bezpośrednio na poziom hałasu generowanego przez taki zasilacz. Jest to odwieczna walka pomiędzy kosztami produkcji, a takimi parametrami jak sprawność, rzeczywista moc i bezpieczeństwo. Naturalnie komponenty wysokiej klasy układów chłodzących są droższe od swoich odpowiedników z aluminiowej blachy i taniego wentylatora. Uproszczając - im tańszy jest zasilacz, tym niższa jest jego sprawność, tym większa jest też ilość ciepła jaką generuje, oraz lepszego chłodzenia wymaga. Rzeczy na które na pewno warto zwrócić uwagę przy zakupie zasilacza to rodzaj wentylatora, grubość przewodów, oraz styki złącz zasilających.


Łatwo się domyśleć, że im więcej wentylatorów, oraz im wyższa jest ich prędkość tym więcej powietrza będzie tłoczone przez zasilacz (co odbywa się zawsze kosztem ciszy). Kolejnym sposobem redukcji kosztów przez wielu producentów jest używanie cieńszych przewodów. Grubość przewodów oznaczana jest za pomocą AWG (im wyższa liczba tym cieńszy przewód). Dla wiązki ATX12V 24-pin standardem jest 16AWG, a dla reszty przewodów 18AWG, jednak bardzo często w zasilaczach spotykamy przewody 20AWG i 22AWG. Jest to o tyle niepokojące zjawisko, że im cieńszy przewód tym większa szansa, że przy większym obciążeniu przegrzeje się i uszkodzi. W końcu mamy styki złącz zasilających, które mogą być pokryte cyną, lub złotem. Oczywiście pozłacane styki zapewniają najlepszy kontakt, trwałość, oraz przewodnictwo, a wszystko to za dodatkowym kosztem. Więc nie znajdziemy ich nigdy w tanich zasilaczach. Wszystkie te cechy przekładają się na komfort użytkowania zasilacza a ich waga zależy od indywidualnej oceny.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że przewodnik ten pomógł chociaż trochę rozjaśnić podstawy działania zasilaczy komputerowych. Będzie on cały czas aktualizowany, aby zapewnić jak najbardziej pełną informację w przystępny sposób. Wiemy teraz, że z powodu skomplikowania komputerów, oraz ich funkcji, prawidłowy dobór zasilacza jest sprawą podstawową. Wydajne karty graficzne (zwłaszcza, gdy pracują w trybie SLI) wymagają dużych ilości prądu, oraz stabilnych napięć do poprawnej pracy. Wiele nowoczesnych kart wymaga nawet własnego źródła zasilania w postaci prądu z linii 12V, jednak nie dajmy się zwariować. Większości z nas wystarczy markowy zasilacz o mocy około 350 do 400 Wat i mocnej linii 12V. Jedynym pożytkiem z kupna mocniejszego zasilacza, będzie w takim przypadku jego cichsza praca, wynikająca z mniejszego obciążenia.